我們在宇宙的「空洞」中

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定位我們

如果要定位宇宙中的我們，大致是：我們生活在地球上，而地球環繞著太陽，而太陽系在銀河系靠外的一個旋臂上，而銀河系是本星系群的第二大星系，5000萬光年外是室女座星系團，而這些都在拉尼亞凱亞超星系團當中。從拉尼亞凱亞超星系團出發，周圍排列了很多其他超大的星系團，而這都在一個10億光年尺度的「空洞」中。根據近期美國天文學會會議公布的最新觀測結果，我們很可能處在「空洞」區域，從這個角度出發，我們能完美的解釋：「之前，宇宙膨脹率測量結果為什麼差異巨大。」

計算機模擬的大尺度宇宙結構展示了複雜的圖案，但從我們的角度，只能看到有限的部分宇宙

Credit: V. Springel et al., MPA Garching, and the Millenium Simulation

宇宙的有趣結構

從最大的尺度看，宇宙是均一的，它的能量和物質「均勻」的分散開來。也就是，如果你假想一個直徑為上百億光年的球，不管在哪裡，這個球框住的質量是相近的，精度可達99.99%。但如果這個假想的球體比較小，那在不同的地方差異就會很大。萬有引力會吸引物質不斷聚集在大尺度纖維結構、星系群和星系團，這樣低密度區域的密度會持續下降，形成宇宙的「空洞」。

斯隆數字巡天展示了我們周圍的宇宙，橙色區域是密度較高的星系團和大尺度纖維結構

Credit: Sloan Digital Survey

現今，宇宙物質的分布像是蜘蛛網和瑞士乳酪的結合體。中間的「空洞」大的驚人，常常達到數千萬光年。而物質聚集的地方，比如大尺度纖維結構，它的斷面就是連接形成宇宙的「網」，連接著超大型的星系團，很多質量可以達到我們星系的上千倍。

宇宙包含很多緻密的區域和「空洞」區域，它們大小各異，但如果在足夠大的尺度看，仍相對均一

Credit: Andrew Z. Colvin of Wikimedia Commons

有趣的是，如果我們將尺度調整到5-30億光年，我們常常會看到同時包含「空洞」、星系團、大尺度纖維結構的「瑞士乳酪」，而整體的質量會有20%甚至更大的區別。

從我們太陽系，到周圍星系，再到更遠星系，可以建立宇宙距離階梯

Credit: NASA,ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

我們在緻密區域還是空洞中？

那我們是在緻密的區域還是「空洞」的區域呢？如果我們在緻密區域，你就會發現在宇宙膨脹現象中背離了我們的觀測結果。因為你所在的區域擁有更多的物質，周圍的萬有引力會更加強大，這裡的宇宙膨脹率會相對低些。如果測量遙遠的地方，宇宙膨脹率貌似恢復正常，但不管怎麼測量，你所在區域的膨脹率低於均值。你可以使用視差、造父變星甚至超新星方法都將得到如上結果。

現代測量方法的差異：紅色為距離階梯法、綠色為宇宙微波背景輻射法、藍色為重子聲學震蕩法

如果我們在「空洞」區域，你所在的區域周圍萬有引力低於均值，宇宙膨脹率就會相對高些。我們已經注意到近幾年的觀測數據：如果我們嘗試使用這些宇宙距離階梯技術來測量宇宙膨脹率，我們發現這樣計算出的宇宙膨脹率比其他方法高5-10%。如果我們使用宇宙微波背景輻射或超遠距離的星系團，我們得到的哈勃膨脹率67-68km/s/Mpc，而如果使用近處的星系我們得到72-75km/s/Mpc。

三種測量宇宙膨脹率的類型：參照遠距離恆星及星系、大尺度宇宙結構和宇宙微波背景輻射

Credit: NASA/ESA Hubble (top L), SDSS (top R), ESA and the Planck Collaboration (bottom)

根據美國威斯康星大學麥迪遜分校艾米·巴傑(Amy Barger)團隊的研究，我們銀河系所處的「空洞」是巨大的、球形的，不僅包含了我們所在的本超星系團，還包括很多其他超星系團。計算機模擬預估這個範圍大小從千萬光年到幾十億光年，但實際上我們現有技術還很難準確測量。有比較可靠依據的最大「空洞」是包含我們銀河系在內的KBC「空洞」(由科學家Keenan,、Barger和Cowie提出)，它的半徑約十億光年。