大爆炸余晖揭示直径超10亿光年神秘“超巨洞”

　　大约在10多年前，天文学家们在测量宇宙温度的时候注意到一个有些奇怪的现象，那就是在天空中有一片宽度大约与20个满月相当的区域，这里的温度异常的低。

　　天文学家们所测量的是弥漫整个宇宙的微波辐射，那是宇宙大爆炸时留下的余晖。

对这种宇宙微波背景辐射(CMB)的观测让科学家们能够窥见宇宙诞生早期，年龄仅约40万年时的情景。

　　宇宙微波背景辐射在整个夜空几乎均匀地分布，各个方向都是一样的，温度都是大约2.725K，仅比绝对零度高出一点点。

然而借助美国宇航局先进的“威尔金森各向异性探测器”(WMAP)，天文学家们可以识别出这一温度背景上10万分之一的变化。

这种细微的温度差异是宇宙诞生时量子泡沫涨落留下的产物，这种随机涨落能够帮助天文学家们理解宇宙的组成以及它的形成机制。

　　宇宙微波背景辐射在整个夜空几乎均匀地分布，各个方向都是一样的，温度都是大约2.725K，仅比绝对零度高出一点点

　　在所有这些温度背景的起伏中，就存在着一个寒冷的点。

多年来，天文学家们提出了各种理论试图对此给出合理解释，从仪器误差到平行宇宙，不一而足。

而现在，天文学家们将注意力集中到了其中的一种理论上：宇宙中存在一种巨大的空洞，被称作“宇宙超巨洞”，它们很可能是宇宙中最大的结构。

　　在这些空洞中几乎不存在任何的恒星或星系。

根据理论，这样巨大的空洞会在宇宙微波背景辐射中留下低温区域。

因此对于宇宙中的神秘低温区，其背后的答案或许仅仅就是巨大的空洞结构而已。

然而，相关的故事还远远没有完结。

　　CMB中的异常低温区

　　在宇宙微波背景辐射(CMB)中，低温点还并非唯一让人感到奇怪的地方。

科学家们还发现了其他一些异常之处。

比如说，半个天空的CMB信号似乎要比另外半个天空的信号更强一些。

标准的宇宙学理论无法完全解释这些异常。

但在所有这些异常中，异常低温区域的存在是最引人瞩目的。

　　对此，最简单的解释是认为这根本就不是什么异常情况，而只不过是CMB背景中随机出现的温度分布而已。

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因此，科学家们首先面对的一项挑战便是，他们必须判断，这一现象究竟只是随机因素的结果，还是的确有着背后的原因。

对于异常低温区而言，数据表明其可能只是随机事件的概率大约是1/200，——看来并非不可能，但这种可能性也非常小。

　　一些科学家提出这种异常情况可能是由于观测仪器的误差或是数据分析的不当方式导致的假像。

但在2013年，来自欧洲普朗克卫星的探测数据确认了此前美国的观测结果，CMB中的确存在异常的低温区域，现在它需要得到解释。

　　目前占据主流地位的解释方案是所谓“宇宙超巨洞”(cosmic supervoid)理论。

宇宙中所有的星系，恒星以及不可见的暗物质，全部都以一种类似蛛网的结构分布在空间之中，形成巨大的平面，扭结和条带。

在这些结构之间便是被称作“巨洞”(voids)的巨大空旷区域。

这些巨洞有着不同的形状和大小。

而其中那些最为巨大的巨洞便会造成在CMB温度背景上出现异常低温区的假象。

　　这一现象背后的原理是：当光线穿过一个巨大的巨洞时会损失能量，随着光波能量的耗散，其频率就会降低，光谱特征将向红端发生位移。

和所有其他事物一样，光线会受到引力场的影响，引力会对光子产生作用。

然而在巨洞内部，由于这里物质的密度极低，也就意味着几乎没有引力对光子产生影响。

这样一来，对于一个光子来说，穿过一个巨洞就像是翻越一座高山，而爬山是需要消耗能量的。

　　不过，光子可以将自己失去的能量再拿回来。

一旦它们离开了巨洞，光线就将再次被物质包围，它将再次感受到引力的作用，并补充它在此前丢失的能量。

　　宇宙的加速膨胀会让光子丢失能量。

在光子艰难穿越巨洞的时候，整个宇宙正在加速膨胀。

而当光子通过巨洞之后，由于宇宙在此期间的加速膨胀，此时的物质密度已经比它穿越巨洞之前更低了，这也就意味着光子所能感受到的引力作用的强度将不如此前，如此，光子也就无法完全恢复它在穿越巨洞期间所损失的能量。