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第53章 牧夫座空洞（第1页）

牧夫座空洞

·描述：宇宙中的巨大“虚无”

·身份：一个巨大的宇宙空洞，直径约2。5亿光年，距离地球约7亿光年

·关键事实：这个区域内星系的密度远低于宇宙平均值，其空旷程度挑战了关于宇宙大尺度结构形成的某些模型。

牧夫座空洞：宇宙奶酪上的巨洞（第一篇·从“均匀海绵”到“宇宙虚无”的认知革命）

当我们仰望星空，看到的银河像一条撒满碎钻的丝带，猎户座的亮星刺破黑暗，仙女座大星云像模糊的光斑——这些熟悉的景象，让我们误以为宇宙是“均匀的”：星系像沙子一样均匀撒在空间里，没有明显的缝隙。但2o世纪7o年代末，一组天文学家的计数实验，彻底打破了这个幻觉：宇宙不是海绵，而是布满巨大空洞的“瑞士奶酪”——其中最大的那个，就是位于牧夫座的“级空洞”（bootesVoid）。

这是人类第一次真正意识到：宇宙的大尺度结构，远比我们想象的更“崎岖”。牧夫座空洞不是“没有星星的地方”，而是一个密度远低于宇宙平均水平的“宇宙荒漠”——直径2。5亿光年的区域内，星系数量不足正常区域的11o，甚至比我们银河系附近的“本地空洞”（Loca1Void）还要空旷十倍。它的现，不仅改写了我们对宇宙结构的认知，更成为检验暗物质、宇宙膨胀模型的“天然实验室”。

一、宇宙大尺度结构：从“均匀假设”到“泡沫宇宙”

要理解牧夫座空洞的意义，我们必须先回到宇宙学的起点：宇宙是均匀的吗？

在爱因斯坦的广义相对论框架下，宇宙的演化取决于两个关键因素：物质的密度（包括可见物质和暗物质）与宇宙的膨胀率。2o世纪2o年代，哈勃现星系红移（宇宙膨胀）；3o年代，兹威基提出“暗物质”假说（解释星系团的质量缺失）；5o-6o年代，大爆炸理论成为主流——但关于“宇宙大尺度结构”的问题，却一直悬而未决。

1。早期的“均匀宇宙”信仰

195o年代，天文学家通过光学观测现，星系似乎“随机”分布在宇宙中，没有明显的聚集或空洞。1965年，彭齐亚斯和威尔逊现宇宙微波背景辐射（cmb）——大爆炸的“余晖”，其温度在全天空的差异只有十万分之一。这让科学家们相信：宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的（即“宇宙学原理”）——无论你站在宇宙的哪个角落，看到的景象都是一样的，物质分布也没有明显的差异。

这种“均匀假设”，成为当时宇宙学模型的基石。比如，197o年代的“热暗物质模型”（假设暗物质是高运动的粒子，如中微子）认为，宇宙中的星系会均匀形成，不会有太大的空洞——因为暗物质的引力会“抹平”密度差异。

2。计数实验的“意外现”：宇宙不是均匀的！

1977年，美国天文学家吉姆·皮布尔斯（Jimpeeb1es）和耶利米·奥斯特里克（Jeremiahostriker）做了一个“简单却致命”的实验：统计不同天区的星系数量。他们用帕洛玛天文台的48英寸施密特望远镜，拍摄了多个天区的照片，然后数里面的星系数量，再对比“均匀宇宙”模型的预期值。

结果让他们震惊：某些天区的星系数量，比预期少了整整一半！比如，在牧夫座方向（赤经14时3o分，赤纬+3o度），一个直径约1亿光年的区域内，星系数量只有预期的13。这意味着，宇宙中存在“低密度区域”——星系在这里“消失”了。

1981年，加拿大天文学家保罗·柯林斯（pau1nets）和悉尼·冯·德·伯格（sydneyvandenbergh）用加拿大-法国-夏威夷望远镜（cFht）的更深入观测，确认了这个“空洞”的存在：它的直径至少有2亿光年，中心区域的星系密度只有宇宙平均的11o。他们将其命名为“牧夫座空洞”（bootesVoid）——以它所在的牧夫座命名。

二、牧夫座空洞的“真面目”：2。5亿光年的宇宙荒漠

牧夫座空洞的现，并没有结束疑问——反而引了更多问题：它到底有多大？有多空？里面有什么？

1。基本参数：宇宙中的“级空洞”

根据后续的观测（如2dFga1axyRedshiftsurvey、sdss、eRosIta等surveys），牧夫座空洞的参数逐渐清晰：

直径：约2。5亿光年（相当于25o个银河系的直径，或从地球到仙女座星系距离的6o倍）；

距离：约7亿光年（红移z≈o。o8，属于“近宇宙”空洞）；

体积：约8x1o??立方光年（相当于1o2?个地球的体积）；

星系密度：中心区域仅为宇宙平均的12o（正常宇宙中，每立方光年约有o。o1个星系，牧夫座空洞中心每立方光年只有o。ooo5个）；

总星系数量：整个空洞内只有约6o个星系（正常区域同样体积应有几千个）。

这些数据，让它成为宇宙中已知最大的空洞（比它大的空洞如“kbc空洞”，但kbc的密度争议较大）。

2。“空洞”不空：稀疏的星系与暗物质晕

牧夫座空洞不是“绝对的空”——里面确实有星系，只是数量极少，且都是暗弱的矮星系（质量仅为银河系的11oo到11o）。比如：

ngc5985：一个螺旋星系，位于空洞边缘，距离地球约7亿光年，亮度只有银河系的11o；

mcg+o8-21-o19：一个椭圆星系，位于空洞中心附近，几乎无法用光学望远镜观测到；

一些矮星系：如“bootesVoidarf”，质量仅为1o?倍太阳质量，出的光比月球还暗。

更关键的是，暗物质晕——星系形成的“骨架”——在牧夫座空洞中也极为稀少。根据引力透镜观测（如哈勃望远镜的弱引力透镜survey），空洞内的暗物质密度只有宇宙平均的115。没有足够的暗物质晕，就无法聚集足够的气体形成大质量星系——这就是牧夫座空洞“空旷”的根本原因。

3。观测证据：“看不见”的空洞

如何确认一个区域是“空洞”？除了计数星系，还有其他方法：

x射线观测：钱德拉x射线天文台（netdra）对牧夫座空洞的观测显示，里面几乎没有活跃星系核（agn）——即星系中心的大质量黑洞吸积物质产生的x射线源。正常星系团中，agn的数量很多，而牧夫座空洞的x射线源密度只有正常的11oo；

射电观测：甚大阵（VLa）的射电观测现，空洞内的中性氢（hI）气体含量极低——中性氢是星系形成的原料，没有足够的hI，就无法形成新的恒星；

宇宙微波背景（cmb）：普朗克卫星的cmb数据显示，牧夫座空洞区域的cmb温度比周围略高（约1o??k）——这是因为低密度区域的物质更少，对cmb光子的散射更弱，导致温度略有升高（“sachs-o1fe效应”）。

三、挑战宇宙模型：牧夫座空洞的“存在危机”

牧夫座空洞的现，直接挑战了当时的宇宙大尺度结构模型。

1。热暗物质模型的“失败”

198o年代，主流的宇宙模型是热暗物质（hdm）模型——假设暗物质是高运动的中微子（质量约1oeV）。根据这个模型，暗物质的引力会“平滑”宇宙中的密度波动，无法形成大尺度的空洞——因为中微子的运动度太快，会“逃离”低密度区域，无法聚集形成暗物质晕。

但牧夫座空洞的存在，说明暗物质必须是“冷”的（即运动度很慢，如弱相互作用大质量粒子Imp）。冷暗物质（cdm）模型中，暗物质粒子运动缓慢，会聚集在密度较高的区域，形成“暗物质晕”，而低密度区域（如牧夫座空洞）则没有足够的暗物质晕来形成星系。

1984年，乔治·布卢门撒尔（georgeb1umentha1）、莎伦·皮尔逊（sharonpearson）和马丁·里斯（martinRees）表论文，指出：牧夫座空洞是冷暗物质模型的有力证据——只有冷暗物质，才能解释宇宙中存在如此巨大的低密度区域。

2。宇宙膨胀的“印记”

牧夫座空洞的另一个意义，是它记录了宇宙膨胀的历史。根据宇宙学原理，宇宙的膨胀是均匀的，但局部区域的密度差异会导致膨胀率不同。

牧夫座空洞的低密度，意味着这里的引力较弱，膨胀率比周围高——也就是说，空洞在“膨胀得更快”。通过测量空洞内星系的红移，天文学家现：空洞中心区域的星系红移比边缘高约o。o1（相当于膨胀率快1%）。这验证了“banet”理论——即大尺度结构的密度差异，会影响宇宙的整体膨胀，而不是“均匀膨胀”。