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天文學家證實宇宙超空洞的存在,這到底是什麼?里面啥都沒有嗎?

网瘾少女 2022/11/19

對于絕大多數人來說,對宇宙的理解,想必是宇宙由諸多具備巨觀概念、具有特定外形的天體所構成,例如類似人類居住地球的類地行星、衛星、恒星等,再深入一點,則是由恒星不同時期演化態組成的恒星家譜,比如中子星,或者更大質量恒星在生命末期演化成的黑洞。

宇宙物質的組成

不過,按照現代宇宙學的推測,在我們所處的宇宙中,由上述實體物質所組成的「可見宇宙」,其質量僅占到宇宙總質量的6%左右,剩下的部分則由25%的暗物質和69%的暗能量所構成。

暗物質和暗能量是科學家們為了解決宇宙測量過程中,所發現的物質總量不平衡所推測出來的東西,后來經諸多觀測和研究證實了暗物質的存在,而對于暗能量,現在還沒有絕對的可靠證據來證實它的存在,不過暗能量的理論在現代宇宙學的發展進程中,發揮著重要的、且暫時還無法替代的作用。

宇宙的宏大超乎我們的想象

如果以地球為中心,我們不斷向上層空間拓展視角,我們會發現,即使是地球和太陽系,在宇宙空間中簡直是「滄海一粟」。比如,太陽系的上層是銀河系,直徑達20億光年,太陽系僅僅是銀河系4000億個恒星系統的一個邊緣化的、不起眼的組成。

再往上,銀河系的上層則是本星系群,其中含有類似銀河系的諸多星系,比如50億年后將與銀河系相撞的仙女座星系、大小麥哲倫星系、三角座星系等。本星系群的直徑在350萬光年左右。

而本星系群又屬于本超星系團的一部分,本超星系團又叫做室女座超星系團,這個星系團擁有50多個星系群,總直徑在1.2-2億光年,其核心部分在室女座星系群,擁有數千個成員星系,而我們所在的銀河系,則處于本超星系團的偏遠地帶。包括銀河系在內的諸多星系,都圍繞著本超星系團的中心作公轉運動,其中銀河系公轉一圈的時間就需要花費上千億年。

在本超星系團的上層,則有拉尼亞凱亞超星系團,這個更大的超星系團由大約500個已知的、類似本超星系團的大規模星系團和星系群組成,直徑可能達到5億光年以上。

如果從這個超星系團的外部來看,給這個超星系團拍個「全家福」,那麼可以清晰地看到一種類似纖維的結構,我們所在的銀河系,就位于這個纖維絲狀結構的一條「流蘇」之上。

宇宙「超空洞」

當然,拉尼亞凱亞超星系團之上,還會有更高一級的宇宙結構,只不過以現有的觀測條件和技術,我們還無法清晰地看到這個超星系團與其他星系團的邊界。在這麼巨大的宇宙結構之中,除了看上去比較明亮的「纖維」之外,更多的空間,其實是一種似乎空洞的存在,表現為上圖中黑色的區域。對這些看似空洞的區域進行探測研究,成為近年來天文學家們進行深空探索和宇宙學研究的一個重要領域。

近期,由加那利群島天文研究所的研究團隊,在進行暗能量研究時,在波江座方向上發現了大面積的「空洞」區域,那里的物質密度極低,被科學家們定義為「超空洞」,直徑達7億光年。之前,不少科學家們在宇宙微波背景的觀測和研究中,其實早已經發現了「冷斑」的存在,冷斑是宇宙微波背景輻射的大規模異常區域,這里物質非常稀少,平均溫度也明顯低于周圍的宇宙空間。

而此次發現的「超空洞」,與之前發現的「冷斑」位置有著比較明顯的重疊。但是,按照標準的宇宙學模型,在這麼廣闊的區域(數億光年)產生如此大的冷斑,似乎不太可能。因此,研究團隊換了一種思路,認為這麼廣闊的空洞區域,之所以會形成,是受到暗能量的作用影響。

「超空洞」是如何形成的?

研究團隊認為,當宇宙微波背景輻射中的光子,在通過這片「超空洞」區域時,必須釋放相應的能量才能通過密度非常低的空間,在通過的過程中,這些光子會受到暗能量的影響。從目前的主流觀點看,暗能量是推動宇宙碰撞的驅動力量,它與萬有引力以及暗物質之間的作用力正好相反,提供的不是引力而是排斥力,它減緩了最大宇宙結構的形成速度,并在非常大的空間尺度上使宇宙變得「平滑」。

當光子通過超空洞之后,由于前期釋放出了相應的能量,使得攜帶的總能量降低,從光子的角度看,出現了能量的凈損失,相當于光子在穿越前后的光子溫度發生了下降,而我們觀測宇宙微波背景輻射的溫度時,也是以光子為研究對象獲得的,所以「冷斑」就此形成了。

通過這項研究,天文學家們或許能夠根據「超空洞」的特征,來推斷出宇宙暗能量的某些特性。應用海量數據的建模結果,科學家們推測出波江座中存在著18億光年的物質缺乏,這與這一空間區域的「可見物質」觀測結構是相一致的。

至于波江座的「超空洞」是否真的由暗能量所形成,目前還缺乏更深入的、更直接的支撐證據,這將是以后宇宙學發展進程中必須要解決的一個爭議問題。宇宙「超空洞」里面,是真的什麼都沒有,還是存在著我們觀測不出來的暗物質,抑或是其他我們目前還沒有掌握的物質,這些謎團還需要留給時間來印證。

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