為了驗證愛因斯坦的理論，天文學家繪製了有史以來最大的「空洞」地圖

07-26

自2008年它被發現以來，天文學家就一直被這個宇宙謎題困擾著，這使他們開始質疑廣義相對論——愛因斯坦的引力理論——在宇宙尺度的正確性。我們都知道廣義相對論在太陽系、脈衝星和黑洞合併中完美的被實驗和觀測驗證了，但是它在更大的宇宙尺度卻沒有被驗證。這個謎題是當光在宇宙中傳播的時候，它受到大尺度結構（比如星系團）的引力影響並不像愛因斯坦的理論所預言的。

為了驗證愛因斯坦的理論，天文學家繪製了有史以來最大的空洞（空間中空的區域）和超星系團（空間中擁有更多星系和物質的區域）的地圖。結果再次證明了愛因斯坦是對的，但是又重新引進了另一個謎團。

為了理解這個謎題的來源，我們要了解引力對微波背景輻射——宇宙大爆炸遺留下來的熱輻射——產生的微妙效應。微波背景輻射的光子在宇宙大爆炸後的不到40萬年時產生的，經歷138億年的傳播，才被普朗克衛星探測，這才使我們可以繪製宇宙的溫度地圖。微波背景輻射對我們理解宇宙提供了大量的信息。在這些光子的旅途中，光粒子，或光子，會遇到在宇宙中的空洞和超星系團。

星系的分布，圖中的每個點都代表一個單獨的星系，顏色代表了星系離地球的距離。（? SDSS）

愛因斯坦的理論告訴我們光體驗到引力的效應正如物質那樣。當一個光子進入一個空的空洞時，它首先會失去能量，因為在它背後有更強的吸引力。當光在空洞中傳播過中途的時候，它又會獲得能量因為在光前方的物質對它的吸引。這個效應就類似於一個跑步者在他的路線圖中遇到了山坡，他在上坡和下坡的時候體驗到了速度的改變。

現在試想一下，如果他在山坡的過程中，山坡的大小在改變會發生什麼？事實上，宇宙正在膨脹，使「山坡」被拉伸，當光子穿越空洞的時候「山坡」的高度在減小。對於跑步者來說，如果他上坡的時間要比下坡的時間久，即他上坡時速度變慢花的時間要比下坡是加速的時間更久。類似的，微波背景輻射的光子穿過空洞時會損失一些能量，因此看起來會比較冷。相反的，光子穿過超星系團時要比正常時的溫度更高點。這個效應被稱為「積分Sachs-Wolfe效應」。

在2008年，夏威夷大學的天文學家決定測量這個效應。他們首先確認了50個單獨的空洞和超星系團，接著他們利用普朗克衛星的微波背景輻射地圖來測量它們的平均溫度。結果自然是天文學家預期看到的，在空洞中的輻射溫度要比在超星系團的更低。但是，意想不到的是，這個效應的大小要比理論計算預言的大五倍。這不得不使我們重新思考現有理論是不是需要得到修正。

在空洞區域（左邊）和超星系團區域（右邊）的溫起伏。藍色是最冷的區域，紅色是最熱的區域。

為了解決這個問題，朴茨茅斯大學的兩位天文學家（文獻【1】，結果發表在了《天體物理雜誌通訊》）採取了不同的角度來解決這個問題，他們並沒有嘗試構建新的理論來解釋夏威夷大學的測量，而是直接利用更新的數據來驗證這個效應是否還存在。他們利用了史隆數位巡天（SDSS）探測到的大於75萬個的星系，來繪製了宇宙中空洞和超星系團的最大地圖。他們的樣本比2008年採用的超星系團樣本要多出300倍。加上現在測量使用的統計技術已經大大進步，從而提高了對超星系團造成的微波背景輻射的溫度改變的測量精度。

結果驗證了愛因斯坦的理論是正確的。更新更強大的數據不再支持夏威夷大學的研究結果。這個結論可以在未來的一些更大型計劃中被檢驗，比如「暗能量巡天」。但就目前而言，謎題已不再是謎題。

當然，故事並沒有這麼簡單的結束了，他們的研究又重新打開了另一個謎題。這個謎題即是普朗克的微波背景輻射地圖中的「冷點」來源。這個冷點在2004年首次被發現，我們還不知道它的物理來源，因為在天空中出現一塊這麼大以以及溫度這麼低的區域的概率似乎很小。

微波背景輻射的溫度漲落。不尋常的冷點在右下用圓圈標出來。

科學家懷疑冷點可能是宇宙中的超空洞的引力引起的冷卻效應。在2015年，天文學家的確找到了宇宙中最大的超空洞的存在證據。因此科學家相信空洞或許就是造成冷點的形成的罪魁禍首。

但不幸的是，如果愛因斯坦的引力理論是正確的，超空洞仍然太小，不足以解釋冷點的形成。而如果理論本身需要修正，正如夏威夷大學的結果所建議的，那麼這兩個謎題就會有同一個解決方法。

但最新的結果似乎更相信愛因斯坦的引力理論。因此超空洞無法解釋冷點。

所以，雖然一個謎題解決了，但冷點的問題又重新浮現出來。在追求科學的真理中，這是一個很自然的發展過程。從長遠來看，我們總能找到最終的答案。對於天文學家來說這是一個令人振奮的時期。

文獻：

【1】https://arxiv.org/pdf/1608.08638v2.pdf

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