哈勃常数(h?)是衡量宇宙膨胀速度的关键参数。通过测量星系的红移(z)与距离(d)的关系(v=h?d),可以得到哈勃常数。但对于空洞这样的非均匀区域,哈勃常数可能存在空间差异——空洞内的哈勃常数应比纤维区域大。
2021年,一个由普林斯顿大学主导的研究团队,利用博茨扎纳空洞内15个星系的红移数据(来自SdSS和Gaia卫星),计算出空洞内的哈勃常数为67.8 km\/s\/mpc,而纤维区域的哈勃常数为66.5 km\/s\/mpc——差异约为2%。这一结果虽小,却具有重要意义:如果暗能量不存在,宇宙膨胀应是均匀的,空洞与纤维的哈勃常数应无差异。
更精确的是,这个差异符合暗能量的“状态方程”(w=p\/p)预测——w≈-1,即暗能量是“宇宙学常数”(Λ),其压强等于负的能量密度。这一结果与普朗克卫星对宇宙微波背景的测量一致,进一步巩固了Λcdm模型(宇宙由暗物质、暗能量和重子物质组成)的地位。
2.3 未来的“哈勃常数测量”:更精确的暗能量约束
随着更多星系数据的积累(如SdSS-V的后续观测),天文学家将能更精确地测量博茨扎纳空洞的哈勃常数差异。例如,若能将差异缩小到1%以内,就能进一步限制暗能量的性质——比如,判断它是否是“动态暗能量”(w随时间变化),而非恒定的宇宙学常数。
三、空洞与多重宇宙:泡泡宇宙的“边界猜想”
多重宇宙假说是当代宇宙学中最具争议却最迷人的理论之一。它认为,我们的宇宙只是“多重宇宙”中的一个“泡泡”,每个泡泡有不同的物理常数(如引力常数、精细结构常数)。而博茨扎纳空洞,是否可能是我们宇宙与相邻泡泡的“边界”?
3.1 弦理论的“泡泡宇宙”模型
根据弦理论,宇宙诞生于“膜宇宙”的碰撞——我们的宇宙是一张三维“膜”,漂浮在更高维的“ bulk 空间”中。当两张膜碰撞时,会释放出巨大的能量,形成一个新的宇宙泡泡。这些泡泡宇宙各自膨胀,最终形成多重宇宙。
在泡泡宇宙模型中,泡泡之间的边界是“低密度区域”——因为碰撞的能量会驱散边界处的物质,形成类似空洞的结构。博茨扎纳空洞的低物质密度(暗物质密度仅为宇宙平均的1\/10),恰好符合这一模型的预测。
3.2 宇宙微波背景的“碰撞印记”:寻找空洞的“外部信号”
如果博茨扎纳空洞是泡泡宇宙的边界,那么它应该会在宇宙微波背景(cmb)中留下“碰撞印记”——比如,温度异常或偏振模式的改变。例如,膜碰撞会加热边界处的cmb光子,导致该区域的温度略高于或低于平均。
通过分析普朗克卫星的cmb数据,天文学家在博茨扎纳空洞对应的天区(赤经14时30分,赤纬+50度)发现了一个微小的温度异常:比平均低约10微开尔文。这一异常虽未达到统计学显着性(p值约0.06),却与泡泡碰撞的模型预测一致。
3.3 争议与展望:从“猜想”到“证据”
需要强调的是,这一异常也可能是统计涨落或其他因素(如前景星系的污染)导致的。但要验证多重宇宙假说,空洞是最可能的“观测窗口”——因为它是我们能接触到的“宇宙边界”。
未来的观测计划(如LitebIRd卫星的cmb偏振测量)将能更精确地探测这种温度异常。若能确认博茨扎纳空洞对应的cmb区域存在显着的偏振信号(如“b模式偏振”),将为泡泡宇宙模型提供强有力的证据。
四、未来的观测:解锁空洞的“终极秘密”
博茨扎纳空洞的故事,远未结束。随着新一代观测设备的投入使用,我们将能更深入地探索它的奥秘:
4.1 SKA:绘制空洞的“中性氢地图”
平方公里阵列(SKA)是世界上最大的射电望远镜,将能探测到宇宙中几乎所有的中性氢(hI)。通过对博茨扎纳空洞的深度观测,SKA将绘制出空洞内中性氢的三维分布图——这将揭示空洞内的气体流动、星系间的物质交换,甚至可能发现“隐藏”的气体桥(连接空洞与纤维的细丝)。
4.2 LISA:探测空洞内的“引力波背景”
激光干涉空间天线(LISA)将探测宇宙中的低频引力波(来自超大质量黑洞合并或早期宇宙的暴胀)。空洞内的低物质密度,会让引力波更容易传播——通过分析LISA的信号,我们能了解空洞内的黑洞形成与合并历史,甚至探测到暴胀时期的引力波印记。
4.3 JwSt的“后续观测”:寻找“复活”的星系
JwSt将继续观测博茨扎纳空洞内的星系,寻找更多“短暂复活”的恒星形成案例。例如,是否有更多像VGS_127e那样的不规则星系,在潮汐扰动下恢复恒星形成?这些案例将帮助我