揭秘宇宙最大的神秘冷点:超空洞半径超过7亿光年

软件先锋 2015-08-04 10:16网络整理点击: 标签:

据英国BBC报道,10多年前,当谈论宇宙的温度时,天文学家发现某件奇怪的事。它们发现一片延展宽度相当于20个月球的天空出人意料的寒冷。天文学家测 量了渗透整个宇宙的大爆炸余晖——微波辐射。这个宇宙微波背景辐射(CMB)便是一瞥原始宇宙,当时它的年龄不到40万年。

宇宙微波背景辐射覆盖了整个天空,看起来似乎哪里都一样,温度都在寒冷的2.725开尔文——只略高于绝对零度。利用那个新发布的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星,天文学家开始探索十万分之一里的温度变化。产生于宇宙大爆炸后瞬间的量子泡沫,这些随机波动帮助科学家们理解宇宙是由什么组成的以及它是如何产生的。

宇宙微波背景辐射。

这些波动中最显眼的是一个冷点。这儿多年来,天文学家提出了各种观点来解释它,从系统测量误差到平行宇宙。但现在,主要的怀疑对象汇集成一个:一个巨大的空洞的洞穴,名为宇宙超空洞,它是如此之大以至于可能是宇宙最大的结构。

威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星。

根据这项理论,如此这一一个巨大的虚空——里面可能即不存在恒星更或者星系——可能在宇宙微波背景辐射里留下一个寒冷的印记。然而,这个神秘之谜的答案可能只是很多虚无。然而这一谜题尚未解决。

这个冷点并不是宇宙微波背景辐射里唯一怪异的事。科学家们发现了好几个其它的异常现象——例如,半片天空的信号似乎比另一半边更加强。宇宙学基本理论无法完全解释这些异常现象,其中冷点首当其冲。

这些异常现象的最简单解释便是它们是宇宙微波背景辐射随机温度波动的侥幸和意外。当你抛掷硬币上百次,你总会有机会连续20次、30次甚至50次都是头面向上。科学家们面临的挑战便是查明哪些异常现象纯属意外。至于冷点,数据显示侥幸的可能性是1/200。这并不是不可能,但可能性并不大。

某些科学家建议冷点是因设备测量误差或者数据分析方式。2013年,普朗克卫星的最新观测证实了对冷点的早期监测。且它迫切需要一个解释。目前出现的一个最可能假设便是宇宙超空洞。宇宙里的所有东西——从星系到不可见的暗物质——在广袤的丝网里延伸了整个太空。在名为虚空的空洞口袋之间存在很多形状和大小。其中一个非常大的可能作为某种变形镜,使得宇宙微波背景辐射看起来比原本更冷。

原因是这样的:当宇宙穿越虚空,它会失去能量,频率会降低,朝光谱里频率更低更红的方向转移。与很多事一样,光容易受到引力的影响,它会对一路上的光子起作用。然而在虚空里,物质的缺乏意味着几乎没有任何引力会影响光。对于光子而言,飞经虚空就像爬山,而攀爬需要能量。

但光子可以获得那个能量。一旦它离开虚空,它会再次被物质包围,引力作用非常强大以至于会拖拽它,朝它喷射它已经丢失的能量。

膨胀宇宙模型

如果光子要丢失能量,必须存在一个加速的宇宙。虽然光子在虚空里前进,整个宇宙会越来越快的膨胀。当光子离开虚空时,它发现——多亏了宇宙拉伸——所有的物质都散开了。由于物质越来越广泛的分布,它的引力效应并不是那么强。它无法以与过去相同的强度拉伸光子,光子也无法恢复过去拥有的能量。

物理学家在20世纪60年代确定了这个现象,但没有人观测到它。在冷点被发现后,天文学家,例如夏威夷大学的伊斯特万•斯扎普迪(Istvan Szapudi),开始搜寻这种名为萨克斯•瓦福效应(ISW)行为的证据,2008年他找到了。

斯扎普迪无法鉴别单个空洞在宇宙微波背景辐射里留下的印记——他没有相应的数据。因此,他和研究小组寻找了对100个空洞和星系群进行统计分析里的整体ISW效应,这些引力作用会产生温暖效应从而在宇宙微波背景辐射里留下热点。研究人员找到了一个真实的ISW效应,将宇宙微波背景辐射的温度平均改变了10微开尔文。

不可思议的超空洞

与冷点相比——大约比宇宙微波背景辐射平均温度冷却70微开尔文——这种效应非常小。但它显示了空洞可以创造冷点。如果一个空洞足够大,它最终可以创造冷点。“如果这个冷点是宇宙微波背景辐射里最大的异常现象,它可能是一个巨大空洞——宇宙里非常罕见的空洞——的迹象。” 斯扎普迪说道。“所以我认为现在我们应该寻找他。”

2010年他的第一次尝试以失败告终。应用的数据非常有限,只覆盖了冷点里少数几个点。有趣的是,结果还显示了不到30亿光年远的距离可能存在一个空洞。

去年他和他的研究小组再次尝试,这次使用了更多数据,覆盖了比之前多200倍的天空,并包含了整个冷点。这么大的覆盖面——包含了上千个星系——早期的暗示合并形成了一个真实空洞。数据非常明确。“我们绝对确定存在一个空洞。”这个空洞非常巨大,它的半径是220百万秒差距(220 megaparsecs),超过7亿光年,是宇宙里不是最大,也是最大之一的物理结构。

超空洞的位置。

这样一个巨大空洞并不常见,目前存在的可能也寥寥无几。斯扎普迪说道。这样罕见空洞与冷点重合,这样的罕见不太可能是巧合。更可能的解释是这个空洞产生了冷点。事实上,他计算出这种情景的可能性大约比两个物体恰好重合的概率高2万倍。

但是其他人对此并不完全信服,例如西班牙坎塔布里亚大学的帕特里西奥•韦尔瓦(Patricio Vielva),这位在2004年带领发现了冷点的科学家认为空洞的稀有性仍有待商榷。如果发现这类空洞其实广泛存在,那么两者重合就不那么令人惊奇了。也许这仅仅是个巧合,这也是科学家需要更多数据来判断超级空洞有多罕见的原因。“现在,我认为最重要的事情之一是确定它,” 韦尔瓦说道。

还不够冷

事实上,还存在一个更大的问题。

超空洞无法让宇宙微波背景辐射变得足够冷。这样体积的超空洞只能使宇宙微波背景辐射冷却20微开尔文。然而,冷点的温度平均要低了70微开尔文。在某些区域温度降幅甚至达到140微开尔文。