是什么在加速宇宙膨胀速度？

我们生活在一个巨大的虚空之中么？也许这能解开宇宙膨胀之谜

当通常所说的哈勃张力解释陷入困境时，这个答案的出现恰逢其时

一幅描绘着暗物质和暗能量的星系插图反映了引力透镜效应，图中的蓝绿色代表星系真实位置和形状，白色则表示“透镜”形状以及位置的移位（图片来源：鲁宾天文台/美国国家光学红外天文学研究实验室/美国国家科学基金会/大学天文研究协会/鲁本天文台）

本文最早在“The Conversation”网站上发布。该出版物向Space.com的《专家之声：视野与见解》推荐了这篇文章。

Indranil Banik是圣安德鲁斯大学天体物理学博士后。宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀速度。宇宙学中的标准模型可用于预测宇宙膨胀速度，即天文学届熟知的ΛCDM模型。该模型通过观测宇宙大爆炸后现存的光，即观测宇宙背景辐射所形成的。

宇宙膨胀使星系彼此远离。星系离我们越远，其移动速度就越快。星系间距离和速度的关系由用“哈勃常数”决定。测定的哈勃常数是43英里（70公里）每秒每百万秒差距（天文学中的长度单位）。这意味着一个星系离我们每一百万光年，则其退行速度会以每小时5万英里增长。

然而，令人遗憾的是，近期对于“哈勃常数”标准模型而言，这一数值引发了争议，因而科学家们开始对“哈勃张力”进行研究。在我们利用邻近的星系和超新星（即爆炸的恒星）测量膨胀速率时，其结果比我们根据宇宙微波背景辐射所预测的膨胀速率高出10%。

在近期发表的论文中，天文学家提出了一种假设：我们身处于宇宙空间中的一个巨型空洞内（即，一个密度低于平均水平的区域）。天文学家认为这种现象可能导致从虚空泄漏出的物质驱动局部区域的膨胀。当周围密度较高的区域对真空产生拉力时，泄漏物质便会出现——它们会对真空内部密度较低的物质施加更大的引力。

在这种情况下，天文学家认为需要接近一个半径约为十亿光年的空洞的核心区域，其密度大约比整个宇宙的平均密度低百分之二十，因此并非完全空无一物。

如此巨大且深邃的空洞在标准模型中是未曾预料到的，因此也引发了争议。宇宙微波背景辐射（CMB）提供了宇宙婴儿时期结构的快照，显示当前的物质应呈现均匀分布。然而，通过对不同区域的星系数量直接进行计算，确实证明了我们正处于一个局部虚空之中。

改变万有引力

天文学家希望通过匹配众多宇宙学观测来进一步验证这一设想，即人类生活在一个广阔的空间中，这个空间由早期的小密度波动塑造而成。为此，天文学中的模型并未采用ΛCDM理论，而是采用了另一种名为修正牛顿动力学（MOND）理论。MOND最初被提出是为了解释星系旋转速度的异常现象，这导致了所谓的“暗物质”不可见物质的存在。然而，MOND认为这些异常现象可以通过牛顿引力定律的断裂来解释。

近期的星系观测为天文学模型的关键测试提供基础，这项测试基于它在不同位置预测的速度。这项测试通过测量质量流动，即测量给定天体中物质的平均速度，不论其密度大小是多少。其速度随着天体半径的变化而变化，最近的观测表明这种变化已持续10亿光年。

有趣的是，在这个尺度上星系质量流动速度是标准模型中预期速度的四倍。这个结果表明随着观测的星系区域增加，星系质量流动速度增大，这与标准模型测算结果相反。

宇宙背景辐射温度波动（色差）。（图片来源：NASA）

这使得天文学家的研究能够预测重力流。而重力流与观测结果十分吻合。这个观测过程需要尽可能靠近空洞中心，而这个空洞的中心部位则是整个空洞最空旷的。

真相大白？

这个研究成果是在哈勃张力主流解决方案遭遇困境之际崭露头角的。一部分人认为天文学家仅需更精确的测量手段。然而，另一部分人则主张通过“局部测量的宇宙高速膨胀速度是准确的”这个假设，来解决上述问题。但这需要对早期宇宙的膨胀历史观测值进行微调，以确保宇宙背景辐射依然符合预期。

遗憾的是，一篇颇具影响力的评论文章指出了这种方法存在七个问题。假如宇宙在其发展历史中大部分时期的膨胀增速为10%，那么宇宙的年龄也将减少10%——这与古老星系的实际年龄相悖。

在星系中，存在着一个延展而深邃的局部空洞。星系数量和重力流快速观测结果显著表明，在数千万至数亿光年的尺度上，暗物质模型结构的生长速度超过了预期。

值得注意的是，大质量星系团El Gordo在宇宙历史上的形成时间过早，其质量和碰撞速度过高，这一结果与标准模型之间存在冲突。上述内容进一步证实，在该模型中，暗物质结构的形成过程过于缓慢。

既然引力在如此大的尺度上是主导力量，因此，需要进一步拓展爱因斯坦的引力理论——广义相对论——只有在超过一百万光年的这个尺度上有效。然而，因为尚未发现具有如此大引力束缚的物体，目前仍未寻找到在大尺度空间中重力如何作用的检测方法。但是，可以假设广义相对论在更大尺度上仍然有效，并将其与观测结果进行比较。正是这种方法导致当前宇宙学标准模型面临着极大的矛盾。

爱因斯坦曾指出“问题不可能由导致这种问题的思维方式来解决”。尽管爱因斯坦的引力理论所需变化的幅度不大，但是一个多世纪以来观测到的首个可靠证据表明引力理论确实需要调整。

BY:Indranil Banik

FY: 万琳

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