宇宙空洞，并非真正的“空”

如果讓我們去想象整個宇宙的景象，腦海中首先浮現的，或許是夜空中的滿天繁星。但在宇宙大尺度結構的研究中，我們討論的基本對象并非單顆的恒星，而是由成百上千億顆恒星組成的星系。在更宏觀的尺度上，許多星系會聚集成星系團（cluster），而連接這些密集節點的，則是由物質和暗物質構成的纖維狀結構（filament）。它們共同交織成了錯綜復雜的“宇宙網”（cosmic web）。然而，這張網并沒有鋪滿整個空間，在這些網絡結構之間，存在著許多遼闊的、幾乎看不到任何光亮的區域，這就是所謂的宇宙空洞（cosmic void）。

圖1 宇宙大尺度結構示意圖。來源：Marco Pereira

那這些空洞是真的“空”嗎？在過去很長的一段時間里，研究人員只是把這些區域當成宇宙大尺度結構里不起眼的“陪襯”，畢竟那些地方幾乎沒有可供觀測的目標。但是到了最近幾年，越來越多的基于模擬與觀測數據的研究表明，這些看似“一無所有”的黑暗區域，恰恰承載著解開我們所處宇宙關鍵物理謎團的線索。它之所以吸引了大量目光，并非因為它真的空無一物，而是因為它并非絕對真空，其內部恰恰蘊含著豐富的宇宙學信息。

第一次看見“宇宙空洞”

在上世紀70年代以前，天文學界對宇宙的認知還相當有限。雖然許多星系會聚集成團，但從更寬廣的尺度看，宇宙物質的分布理應是均勻的。這種均勻性在宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB）中得到了最直觀的印證——這份來自大爆炸后約38萬年的早期宇宙的輻射，勾勒出的正是一個物質幾乎完全均勻混合的宇宙，其分布之平滑，猶如一塊奶油干酪（Cream cheese）。

然而，1978年，兩位研究人員Laird A. Thompson和Stephen A. Gregory在測量星系距離時，意外發現了一片分布異常稀疏的區域，這標志著宇宙空洞首次進入研究者的視野。這個發現看似只是觀測中的一個疑點，卻成了動搖人們對宇宙均勻性固有認知的開端。1981年，Robert Kirshner所在的研究小組在牧夫座（Bo?tes）方向發現了一個直徑約4億光年的巨大空洞。它的范圍極其廣闊，以至于后來有研究人員打趣說，如果把銀河系放在這個空洞的中心，人類可能直到20世紀60年代才會知曉宇宙中還存在著其他星系。

實際上，單個空洞的存在尚不足以證明宇宙中普遍存在這種結構。真正讓我們認識到宇宙空洞并非個例的決定性證據出現在1986年。Margaret J. Geller、John Huchra以及Valérie de Lapparent經過長時間的觀測，終于畫出第一幅局域宇宙的“三維地圖”。他們發現，之前發現的空洞并非孤例，而是宇宙大尺度結構中普遍存在的區域。自此，宇宙空洞的存在，對“奶油干酪”式的均勻宇宙假設構成了嚴峻挑戰，而我們的宇宙，實際上更像有著很多孔洞的“瑞士干酪”（Swiss cheese）。

圖2 早期宇宙與當今宇宙對比示意圖。來源：Gemini生成

沉寂的幾十年與暗能量的登場

盡管宇宙空洞早在20世紀80年代便已被確認存在，但對于它的研究卻在隨后的幾十年陷入了低谷。原因非常現實：相關觀測數據實在有限。從20世紀90年代到21世紀初，能夠確認的宇宙空洞樣本始終不足。而在統計學意義上，只有當樣本量達到成千上萬，才能支撐起可靠的分析，進而對宇宙大尺度結構展開統計研究。

直到1998年暗能量的發現，才打破了這種沉寂的局面。觀測證實宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，這意味著存在一種對抗引力的“負壓”能量。而宇宙空洞，作為宇宙中的低密度區域，恰好為研究暗能量提供了一個獨特的機遇。

在星系團等致密環境中，引力極其強大，暗能量的效應則幾乎被完全掩蓋掉了。但在宇宙空洞內部，物質極其稀薄，引力作用相對微弱，暗能量的排斥作用反而成了主導空洞演化的核心。此外，宇宙空洞對中微子的質量也十分敏感。因為中微子的速度極快，不會像普通物質那樣聚集成團，而是均勻散布在整個宇宙中，并在宇宙空洞中自由地流動。它們微弱的引力，會對宇宙空洞的膨脹速度產生細微的影響。通過對比早期和當今宇宙空洞的平均尺寸，研究人員就能進而推算出中微子的總質量。

當然，想要通過宇宙空洞來探測暗能量和中微子，并非易事。研究人員面臨的第一個挑戰來自于觀測本身：我們無法直接測量星系的空間位置，只能通過紅移來推測它們的距離。但星系并不是靜止不動的。在宇宙空洞內部，物質正源源不斷地向外膨脹逃離，使得我們觀測到的空洞在視線方向上被拉長。這種現象被稱為紅移空間畸變（redshift space distortions, RSD）。更麻煩的是，為了把觀測到的紅移數據換算成物理距離，我們必須假設一個基準宇宙學模型。如果假設錯了，空洞的形狀就會進一步發生幾何扭曲，這被稱為Alcock-Paczynski效應。

面對這些看起來像是“假象”的干擾，研究人員則是通過宇宙學模擬找到了破解之道。因為空洞形狀畸變的程度本身取決于假定的宇宙學參數。通過測量空洞在縱向和橫向上的變形，反而能夠進一步約束宇宙學模型。目前，相關方法已在空洞的尺寸演化、內部密度輪廓演變以及和其他觀測源的交叉相關函數等多類探針上得到驗證。而基于中國空間站巡天空間望遠鏡（Chinese Space-station Survey Telescope, CSST）的模擬數據與Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) 觀測數據，我們圍繞宇宙空洞開展了相關研究，系統檢驗了空洞尺寸函數限制宇宙學參數的能力，并對空洞與星系互相關信號進行了精確測量。這些分析從模擬與觀測兩個層面驗證了宇宙空洞作為探針研究宇宙大尺度結構的穩健性與可行性，同時也為后續包括CSST在內的更大規模巡天數據的應用提供了參考。

宇宙空洞作為研究對象的科學價值逐漸顯現，也直觀地體現在近十年的研究數據中：空洞相關的科研產出與引用量正呈指數級攀升。這種趨勢也表明，宇宙空洞已經逐漸發展為一項常規且可靠的宇宙學探針。

圖3 近幾十年宇宙空洞研究論文產出（上）與引用趨勢（下）。數據來源：NASA/ADS

實際上，宇宙空洞的意義不僅限于對宇宙學的研究。它們極端的低密度環境，也為研究星系形成與演化提供了一個天然的“對照實驗室”。空洞中的星系處于相對孤立的環境，缺乏頻繁的并合和氣體吸積。這種外部環境的“真空”效應，使得空洞內的星系往往呈現出較高的恒星形成率以及顏色上更藍的特征。通過系統比較空洞內外的星系性質，研究人員可以有效剝離環境因素對星系演化的影響，從而更清晰地理解星系自身演化與外部環境依賴如何反映在星系的性質上。

億萬級的星系觀測時代

隨著理論模型日益成熟和觀測能力的飛躍，針對宇宙空洞的研究已經處于快速增長的階段。曾經，可用于統計分析的宇宙空洞樣本極為匱乏；而到了今天，隨著斯隆數字巡天（The Sloan Digital Sky Survey, SDSS）等項目的積累，經過嚴謹篩選的可靠空洞樣本已經達到了數千個。

圖4 斯隆數字巡天中的宇宙空洞三維分布圖。來源：Martin Krzywinski

這種數據量在不久的將來還會迎來指數級的爆發。當前，暗能量光譜儀巡天（The Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）的五年計劃已圓滿完成，預計可以提供十萬量級的宇宙空洞進行宇宙學研究。并且隨著歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）、羅曼空間望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope, RST），以及我國的CSST等新一代設施相繼啟用，預計在未來的5到10年內，可獲取的宇宙空洞樣本將達到數十萬乃至百萬級別。

在過去，人類的目光總是指向那些華麗的、絢爛的星系。如今，我們正在慢慢嘗試把視線轉向那些潛藏在璀璨的宇宙網內的“陰影”。這些看似空無一物的低密度區域，不僅記錄著宇宙的演化歷史，更暗藏著暗能量、中微子乃至宇宙基本物理法則的秘密。在如今的大數據時代，宇宙空洞極有可能成為我們攻克這些宇宙謎團的重要突破口。

參考文獻

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來源：中國國家天文臺

編輯：夜凌Ryelin

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