宇宙微波背景輻射冷斑點，光在這裡丟失了能量

冷斑點位於南半球銀河系的波江座中。上圖為Szapudi小組使用PS1和WISE數據以及普朗克衛星獲得的宇宙微波背景輻射溫度數據所合成的天區圖，顯示出了不同尋常的斑點。白色圓圈中為冷斑點和超級空洞排列形成的30度角直徑。

2004年，天文學家在研究大爆炸剩餘輻射(宇宙微波背景輻射，CMB)圖時，發現了冷斑點。這是天空中一個異常大而寒冷的區域。大爆炸物理學預測，在早期宇宙中存在或大或小的「冷斑點」和「熱斑點」，但這個斑點的範圍和溫度實在是出乎意料。

目前，由夏威夷大學天文學家István Szapudi所帶領的研究小組可能已經發現了冷斑點存在的原因。Szapudi說，這可能是「人類發現的最大的個體結構」。

如果冷斑點起源於大爆炸，這可能是標準宇宙學(大爆炸理論和相關物理學)所無法解釋的一個罕見現象。然而，假設它是由地球和CMB之間的某個前景結構產生的，這表明在宇宙質量分布中存在著極其罕見的大尺度結構。

通過分析夏威夷毛伊島的Pan-STARRS 1望遠鏡(PS1)以及NASA寬視場紅外巡天探測器(WISE)衛星所獲得的數據，Szapudi的小組發現了一個直徑達18億光年的「超級空洞」，這裡的星系密度比已知的宇宙其他地方低得多。天文學家通過組合PS1的光學觀測結果與WISE的紅外觀測結果，估算了該天區每個星系的距離和位置，從而發現了這一區域。

早期研究中，天文學家曾在冷斑點的方向觀測到一個小得多的區域，但他們只能推測那裡不存在特別遙遠的結構。奇怪的是，為了看到更近的結構，必須映射更大的天區。因此，尋找鄰近的大尺度結構要比確定遙遠的大尺度結構更加困難。由匈牙利羅蘭大學天文學家安德拉?科瓦奇創建的大型三維天區圖為這項研究提供了不可或缺的幫助。這個超級空洞距離地球只有約30億光年。在宇宙尺度中，這算是相對較短的距離了。

想像一下，在你(觀測者)與CMB之間存在一個巨大的空洞。將這個空洞當成一座小山，當光穿過空洞時就像爬山。如果宇宙沒有在加速膨脹，山的底面積不會明顯擴大。根據能量守恆定律，光在離開時會重新獲得因為爬山而損失的能量。但由於存在加速膨脹，隨著光的「攀爬」，山的坡度變緩了，光在「下山」時無法獲得所有失去的能量。因此，光在離開空洞時損失了能量，波長增加，在觀測結果中表現為較低的溫度。

即使是速度最快的光，穿過一個超級空洞也可能需要幾百萬年的時間，因此這種被稱為「完全薩克斯-沃爾夫效應」(ISW)的可測量的效應或許能夠為這一現象提供一種解釋。第一個發現這種現象的是美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛星。最近一次是由歐洲航天局的普朗克衛星發現的。

超級空洞的存在及其在CMB中的效應並不能完全解釋冷斑點的成因，然而，超級空洞和冷斑點位於同一區域不可能是巧合。研究小組將使用PS1和「暗能量巡天」項目在智利的一個望遠鏡所獲得的數據研究冷斑點和超級空洞，以及靠近天龍座的另一個大的空洞。

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