新研究:銀河系或處於宇宙空洞的中心

【2024年05月22日訊】(記者林達編譯報導)銀河系只是宇宙中數十億個星系之一。所以,從大尺度層次上看,銀河系並沒有那麼特別。但拉近到銀河系鄰近區域,情況就有所不同了。

越來越多的觀測結果表明,銀河系處在一個巨大的宇宙「空洞」(cosmic void)的正中心,這是迄今所觀察到的最大的宇宙空洞。天文學家於2013年首次提出這個「空洞」的概念,從那時起,它存在的證據就不斷增加。

但關鍵是,這個巨大的虛空從一開始就不應該存在。如果它確實存在,那就意味著我們對宇宙的理解可能有問題。

宇宙中物質均勻分布?空洞不應存在

根據宇宙學基本理論「宇宙學原理」,宇宙中的物質應該在很大的尺度上均勻分布。這個原理很重要,因為通過假設均勻性,科學家可以將附近物體所遵從的物理學定律,同樣應用於宇宙邊緣上的物體。換句話說,一切物體都在同樣的普遍法則下運行。

這是一種理解宇宙簡單、直接的方法,它表明「空洞」不應該存在。

但過去十年的多次觀測表明,宇宙中的物質可能會聚集形成高密度或低密度的區域,這意味著它可能並不那麼均勻。

聖安德魯斯大學博士後研究員英德拉尼爾‧巴尼克(Indranil Banik)告訴《商業內幕》(Business Insider),「現在看來,很明顯我們身處一個密度非常低的宇宙區域。」

巴尼克去年與人合著了一篇論文,11月發表在同行評審的期刊《王家天文學會月刊》上。論文表明,我們可能生活在一個名為「KBC空洞」的中心,空洞寬約20億光年,足以容納2萬個銀河系。

KBC空洞違背了宇宙學定律

KBC空洞並非完全是虛空。這不可能,因為我們就生活在其中。但是,如果巴尼克及其同事的計算是正確的,那麼這個空洞將比其邊界之外的空間空曠大約20%。

根據最近的研究,這可能看起來不是一個很大的差別,但它足以在我們鄰近的宇宙區域中引起一些令人困惑的行為。特別是,附近的恆星和星系遠離銀河系的速度比應有的速度要快。宇宙學家有一個稱為「哈勃常數」(Hubble constant)的變量,用來描述宇宙膨脹的加速度。

無論你看向何處,無論是近處還是很遠,哈勃常數都應該具有相同的數值。問題在於,銀河系附近的星系和恆星似乎比哈勃常數預測的速度更快地遠離我們,這本質上違反了宇宙學定律。

天文學家對於造成哈勃常數差異的原因無法達成一致,這一爭論被稱為哈勃張力(Hubble tension)。巴尼克認為,空洞可能是一個解決方案,因為空洞外引力更強的高密度區域可能會將星系和恆星拉向它們並遠離我們。

他認為,天體遠離我們的狀態(外流,outflow)可以解釋為什麼宇宙學家在觀察附近天體時計算出更高的哈勃常數值。因為天體在虛空中移動得更快,從空曠的區域飛向擁擠的外太空。

謎團尚未解開

如果正如證據表明的那樣,空洞確實存在,那可能意味著需要修改一些宇宙學物理定律。畢竟,巴尼克的理論可以解釋為什麼哈勃常數在銀河系區域更高。

加州大學聖地亞哥分校的宇宙學家兼物理學教授布賴恩‧基廷(Brian Keating)研究了這一現象,他一封電子郵件中告訴《商業內幕》,「局部空洞引發大量外流用以解釋哈勃張力的假設似乎是合理的,尤其是考慮到那些支持它的觀測數據。」

但仍有一些問題需要回答。其一,虛空的影響範圍到底有多大?基廷寫道,「如果局部虛空不能代表更廣闊的宇宙,那這只是一個局部詮釋,而並不會根本『解決』哈勃張力問題。」

基廷還指出,巴尼克的理論有一定的局限性。他寫道,該研究的結果取決於所用空洞模型的類型。不同模型對空洞效應和「體積流」或星系在宇宙中移動時的平均速度會產生不同的預測。另外,模型只能針對空洞的真實情況提供一個簡單化了的圖景。

所有這些都意味著空洞可以提供解決方案,但「這還不是解決哈勃張力問題的明確證據」,基廷寫道。

還需要考慮其它解決方案,例如早期暗能量。正如基廷所說,該理論提出了一種新的能量形式,它會影響宇宙早期的膨脹率,最終導致我們今天觀察到的哈勃張力。

但巴尼克指出,早期的暗能量理論與宇宙的某些事實相衝突。例如,必須修改古代恆星的年齡才能使其合理。否則,其年齡就會比宇宙本身還要老。

所以,他堅持空洞理論。他的下一個研究項目將分析超新星數據,以確定哈勃常數是否在空洞以外會回到宇宙學標準模型所預測的數值。如果他的理論是正確的,那麼在空洞邊界之外就不應該存在任何哈勃張力。

巴尼克說,「這是讓我有點不安的主要事情,我擔心超新星是否表明宇宙實際上正在更快地膨脹,並且沒有存在空洞邊緣的跡象。」

不過目前,哈勃張力仍是一個等待解開的謎團。◇

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