“大爆炸的声音”暗示地球可能坐在一个20亿光年宽的宇宙空無中

By Robert Lea published 20 hours ago

Astronomy

 “我们表明了一個空無模型可能比一個無空無模型更大约一亿倍可能” 。

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"被在一個低密度哈勃气泡内密封的一个星系的描畫。(Image credit: Robert Lea)

地球、它的宇宙家园银河系甚至圍繞我们的宇宙局部区域与宇宙的其他部分相比可能被位于一个低密度的空無中。

如果如此，这将解决宇宙学中最令人沮丧和作祟的问题之一，所谓的“哈勃緊张”

新的研究提示來自宇宙初始时刻的“重子声學振荡（BAOs）”，想象它們为“大爆炸的声音”似乎支持局部空無或“哈勃气泡”的概念

哈勃緊张源于当使用不同的技术测量时宇宙正在膨胀的速度（称为哈勃常数）有不同的值的事实。一种技术使用在局部宇宙中的天文观测测量哈勃常数，而另一种技术給出它的为一個跨整个宇宙的平均值。

这意味着如果局部宇宙坐在一個低密度的“哈勃气泡”中，它将比更高密度更宽的宇宙正在更快擴張，这解释为什么观测給出一個更大的哈勃常数值，比理论平均值更快的膨胀速度。

朴茨茅斯大学的研究作者巴尼克（Indranil Banik）在一份声明中说：“解决这种不一致的一个潜在方法是我们的星系靠近一个巨大的局部空無的中心。这将造成物质被引力拉向空無的高密度外部，导致空無随着时间变得更空”。

“随空無正在空出去，远离我们的天体的速度会比如果空無沒有在那裏更大。因此，这給出一個局部擴張率更快的出現” 。

哈勃緊张：一个“局部问题”？

有两种方法來计算哈勃緊张。

首先，科学家们观測一种叫宇宙微波背景（CMB）的“宇宙化石”。第一光是自由來旅行宇宙的，宇宙微波背景是一个几乎均匀地充满整个宇宙的辐射场。

科学家们能使用宇宙学的标准模型Lambda冷暗物质模型（LCDM）作为一個模板观測宇宙微波背景并计算它的演化。由此，他们得出哈勃常数跨宇宙一段时间内的当前值而不只是局部的。

或者，天文学家利用对Ia型超新星或变星的观测，这两种天体被天文学家称为“标准烛光”来测量到它们宿主星系的距离。这些星系正在多快后退通过從这些天体发出的光的波长中的变化或“红移”來揭示。红移越大，一個星系远离地球的速度就越快。哈勃常数能被由此计算。

问题是这种对局部宇宙的观测给出一個大于用Lambda冷暗物質模型获得的理论值的哈勃常数值，后者将宇宙考慮为一个整体。因此，哈勃緊张。

重子声學振荡（BAOs）——“大爆炸的声音”——支持一個局部空無的想法。 (Image credit: Gabriela Secara, Perimeter Institute)

巴尼克认为这种差异是一个局部问题。

巴尼克说：“哈勃緊张大躰上是一种局部现象，几乎没有擴張率与進一步回到時間中的标准宇宙学中的预期一致的证据。因此，一個像局部空無这样的局部解决方案是解决這個问题的一种承諾的方法” 。

为使这种局部空無理论來解决哈勃緊张，地球和太阳系不得不大致坐在低密度哈勃气泡的中心。哈勃气泡會不得不约20亿光年宽，有一個比宇宙的平均物质密度低约20%的密度。

真的，计數在局部宇宙中的星系似乎确实揭示一個比宇宙的邻近部分更低的密度。

然而，这一概念的一个主要障碍是如此一個巨大的空無的存在与Lambda冷暗物质模型不很好適配，这提示物质应该在所有方向上均匀分布，或者在宇宙中“各向同性和均匀”分布。

一幅插图显示一个没有按比例绘制的银河系坐落在宇宙中一个孤独的空無中。(Image credit: Robert Lea)

巴尼克获得的新数据表明大爆炸的声音被稱爲重子声學振荡或重子声學振荡相比Lambda冷暗物质模型实际上支持一個局部空無的概念。

巴尼克解释说：“这些声波在一旦宇宙足夠冷卻到中性原子來形成變得冷却到位之前只旅行了很短的时间，它们就像一把标准尺子一樣起作用，我们能用它的角度大小来绘制宇宙擴張历史” 。

巴尼克爭論一個局部空無略微扭曲重子声學振荡角尺度与红移之间的关系。这是因为除了被宇宙膨胀造成的红移外被一個局部空無及其引力效应引起的速度略微增加红移。

巴尼克补充道：“通过考虑过去20年中所有可用的重子声學振荡测量结果，我们表明了一個空無模型比一個有設計的來适应被普朗克卫星进行的宇宙微波背景观测参数的无空無模型约一亿倍更可能，所谓的均匀普朗克宇宙学”。

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巴尼克及其同事的下一步将是将他们的空無模型与其他模型比较來试图重建宇宙的擴張历史。

这可能涉及使用“宇宙计时器”，大質量的演化宇宙天体星系能被定年齡來确定宇宙的膨胀率如何随时间变化的。对于星系，这能被通过观察恒星群体并看它们拥有什么类型的恒星做到，有一個寿命较短的大质量恒星的缺乏表明一個更晚期的年龄。

然后将这个年龄与星系的光隨它旅行到我们因宇宙膨胀已經经历的红移比较，揭示宇宙在宇宙时间内的擴張历史。

也许这样，哈勃紧张的头痛能被永久缓解。

巴尼克周一（7月7日）在英国达勒姆大学举行的2025年皇家天文学会国家天文学会议上提交了该团队的研究。

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