大爆炸的"声音"暗示地球可能位于一个宽达20亿光年的宇宙空洞之中
"有证据表明，空洞模型比无空洞模型的可能性高出约一亿倍。"
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一张插图显示一个星系被密封在低密度的哈勃气泡中
（图片来源：罗伯特·利）
地球以及它的宇宙家园银河系，甚至我们周围的这片极近宇宙区域，可能都位于一个比宇宙其余部分密度更低的空洞之中。如果真是这样，那将解决宇宙学中最令人沮丧也最持久的问题之一——所谓的"哈勃张力"。
新研究表明，来自宇宙最初时刻的"重子声波振荡（BAOs）"——可以将其想象为"大爆炸的声音"——似乎支持本地空洞或"哈勃气泡"这一概念。
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哈勃张力的产生源于这样一个事实：当使用不同技术测量时，宇宙膨胀的速度（即哈勃常数）会得到不同的数值。一种技术利用本地宇宙的天文观测来测量哈勃常数，而另一种技术则给出整个宇宙的平均值。
这意味着，如果本地宇宙位于一个低密度的"哈勃气泡"中，它的膨胀速度就会比密度更高的广阔宇宙更快，这就解释了为什么观测得到的哈勃常数值和膨胀速度会比理论平均值更大、更快。
"这种不一致的一个潜在解决方案是，我们的星系接近一个巨大本地空洞的中心，"朴茨茅斯大学的研究作者英德拉尼尔·巴尼克在一份声明中说。"这将导致物质在引力作用下被拉向空洞外部密度更高的区域，使得空洞随着时间推移变得越来越空。
"随着空洞不断排空，天体远离我们的速度会比没有空洞时更大。因此，这造成了本地膨胀速率更快的表象。"
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哈勃张力：一个"本地问题"？
计算哈勃张力有两种方法。
第一种是，科学家观测一种名为宇宙微波背景（CMB）的"宇宙化石"。CMB是宇宙中首批得以自由传播的光，它是一种几乎均匀充满整个宇宙的辐射场。
科学家可以利用宇宙学标准模型——Λ冷暗物质模型（LCDM）作为模板来观测CMB并计算其演化过程。由此，他们推导出整个宇宙（而不仅是本地）当前的哈勃常数值。
另一种方法是，天文学家利用Ia型超新星或变星——这两类天体被天文学家称为"标准烛光"——的观测来测量它们宿主星系的距离。这些星系远离的速度可以通过来自这些天体的光波长的变化，即"红移"，来揭示。红移越大，星系远离地球的速度就越快。由此可以计算出哈勃常数。
问题是，这种本地宇宙的观测方法给出的哈勃常数值，大于ΛCDM模型考虑整个宇宙而获得的理论值。因此产生了哈勃张力。
重子声波振荡（BAOs）——"大爆炸的声音"——支持本地空洞的观点。（图片来源：加布里埃拉·塞加拉，圆周理论物理研究所）
巴尼克认为这种差异是一个本地问题。
"哈勃张力在很大程度上是一种本地现象，几乎没有证据表明在更早时期膨胀率与标准宇宙学的预期不符，"巴尼克说。"因此，像本地空洞这样的本地解决方案是解决这个问题很有前景的方法。"
为了让这个本地空洞理论解决哈勃张力，地球和太阳系必须大致位于低密度哈勃气泡的中心位置。哈勃气泡的宽度必须约为20亿光年，密度比宇宙平均物质密度低约20%。
确实，统计本地宇宙中的星系数量似乎显示出比宇宙邻近区域更低的密度。
然而，这一概念的主要障碍是，如此巨大空洞的存在与LCDM模型并不吻合，该模型认为物质应该在所有方向上均匀分布，或者说"各向同性且均匀地"分布在宇宙中。
一张非真实比例的插图显示银河系位于宇宙中的一个孤寂空洞里。（图片来源：罗伯特·利）
巴尼克获得的新数据显示，与大爆炸声音同名的BAOs实际上支持本地空洞的概念，这与LCDM模型相矛盾。
"这些声波在宇宙冷却到足以形成中性原子后，只传播了很短一段时间就被冻结在原地，"巴尼克解释道。"它们充当着标准尺的角色，我们可以利用其角尺寸来绘制宇宙膨胀历史。"
巴尼克认为，本地空洞会轻微扭曲BAO角尺度与红移之间的关系。这是因为本地空洞及其引力效应引起的速度，会在宇宙膨胀导致的红移之外，略微增加红移量。
"通过考虑过去20年所有可用的BAO测量数据，我们证明，空洞模型比旨在拟合普朗克卫星CMB观测的无空洞模型——即所谓的均匀普朗克宇宙学——的可能性高出约一亿倍，"巴尼克补充道。
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巴尼克和同事的下一步将是将他们的空洞模型与其他模型进行比较，试图重建宇宙的膨胀历史。
这可能涉及使用"宇宙时钟"，即像星系这样可以通过测定年龄来确定宇宙膨胀速率如何随时间变化的大尺度演化天体。对于星系，这可以通过观测其恒星组成来实现，看看它们拥有哪些类型的恒星——缺乏短寿命的大质量恒星表明星系年龄更大。
然后将这个年龄与星系光在传播到我们的过程中因宇宙膨胀而经历的红移进行比较，从而揭示宇宙在漫长时光中的膨胀历史。
也许这样，哈勃张力这个令人头疼的问题就能得到永久性解决。
BY:Robert Lea
FY: 万琳
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