[비즈한국] 宇宙始于138亿年前的大爆炸，并一直在持续膨胀。各种独立且多样的观测证据都表明，宇宙的时空正在膨胀。至少“宇宙正在膨胀”这一宏大事实，是现代宇宙学中任何天文学家都无法否定的明确真相。然而，深入探讨时，天文学家对宇宙膨胀模型的看法却略有分歧。最重要的争议点在于关于宇宙膨胀率的问题：“我们的宇宙究竟以多快的速度在膨胀？”
这个长期困扰天文学家的难题至今仍未得到明确解释。然而，这一难题或许正是揭示我们宇宙全新、意想不到可能性的线索。
传统上，宇宙的膨胀是通过观测周围星系的退行现象来确认的。随着宇宙时空整体均匀地膨胀，距离越远的星系被观测到以越快的速度远离。这种星系距离与各星系退行速度成正比的关系被称为“哈勃-勒梅特定律”。这是展现宇宙膨胀最直接的观测证据。
另一方面，还有一种方法可以证明宇宙的膨胀，即通过大爆炸后留下的大爆炸热痕迹。当时拥有极高密度和温度的宇宙逐渐均匀地冷却，大爆炸的余热目前以微弱的电磁波噪声形式遍布全宇宙，这被称为“宇宙微波背景辐射”。
问题在于，通过星系退行现象和宇宙微波背景辐射这两大代表性方式测得的宇宙膨胀率存在轻微偏差。根据宇宙微波背景辐射推算的宇宙膨胀率为67km/s/Mpc。换算成更易理解的单位，意味着距离我们1百万秒差距（约300万光年）处的宇宙正以时速24万4000公里的速度远离。
然而，通过星系退行现象测量出的宇宙膨胀率数值却略有不同。最近，通过观测极其明亮的Ia型超新星，天文学家测量了远至100亿光年外的星系距离与退行速度，由此推算的宇宙膨胀率为73km/s/Mpc。同样换算后，意味着距离1百万秒差距处的宇宙正以时速26万4000公里的速度远离。
有趣的是，通过（超新星观测得出的）星系退行现象推算的宇宙膨胀，比仅通过宇宙微波背景辐射推算的膨胀快了约10%。明明是用不同的方法观察同一个宇宙，根据所用方法的不同，观测到的宇宙样貌却略有差异。这种让现代天文学感到棘手的谜题被称为“哈勃张力（Hubble Tension）”。
那么，为什么通过周围遥远星系运动推算的宇宙膨胀，看起来会比通过宇宙微波背景辐射推算的更快呢？
遍布宇宙的星系运动实际上包含了极其复杂的因素。不仅有宇宙时空膨胀导致星系间距离变远的效果，还有邻近星系间因引力相互吸引的效果。因此，为了从星系运动中得出宇宙膨胀率，必须剔除星系间相互拉扯产生的牵引效应。这种星系间因引力相互拉扯的运动被称为星系的“本体流（Bulk flow）”。这种个体星系通过引力产生的相互作用，会成为阻碍因素，使得仅凭星系观测很难把握纯粹的宇宙时空膨胀效果。
在观测完周围星系的运动方向和速度后，若从整体运动中减去纯粹的宇宙时空膨胀所预期的星系间远离效果，就能单独滤除由引力导致的牵引效应。最近，天文学家通过此类分析，对大范围宇宙中纯粹由引力产生的星系本体流进行了观测。这就是“宇宙流（Cosmicflows）”项目，通过确定以银河系为中心约1亿光年内的18万个星系的位置和运动，旨在分析剔除了宇宙膨胀效果后的纯粹星系本体流。
然而，分析了宇宙流观测数据的天文学家发现了意想不到的结果。在约8000万光年以内的绝大多数星系，都表现出一种一致的平均运动趋势，即朝着特定的人马座方向似乎流动得更快。仿佛在那个方向的尽头，有什么巨大的质量团正在一致地吸引着这些星系。这暗示了一种可能性：星系可能正受到比我们周围密度更高的区域的引力吸引，从而向外被拉扯得稍微快了一些。
基于星系的这种本体流，一些天文学家很久以前就推测，我们银河系可能位于一个相对于周围而言星系密度较低的空旷区域，即巨大的“空洞（Void）”附近。充满宇宙的星系并非随机分布。密度较高的区域引力更强，聚集了大量物质；而密度较低的区域则不断向四方流失物质，留下了空旷的区域——空洞。因此，星系形成了如同复杂交织的网状般的宇宙大尺度结构。如果我们的银河系真的位于巨大的“本地空洞（Local void）”附近，就能解释为什么我们周围星系的运动看起来比宇宙微波背景辐射推算的宇宙膨胀要快。
本地空洞周围存在星系密度更高的区域。因此，银河系周围的星系不断被吸引向四方的高密度区域。对于居住在本地空洞中心附近的我们来说，观测到的现象就像是周围的星系正在向四方更快地远离！
事实上，在此次分析中，将通过宇宙流项目确认的周围星系较快的运动应用到原先基于超新星观测推算的宇宙膨胀率中，惊人地显示出哈勃张力可以得到相当完美的消除。对周围星系表现出的一致指向某一方向的本体流运动进行校正后，基于超新星观测推算的宇宙膨胀率从73km/s/Mpc降低到了69km/s/Mpc。这与仅通过宇宙微波背景辐射推算的宇宙膨胀率几乎一致！
那么，我们的银河系是否真的位于比宇宙平均密度稀疏得多的巨大空洞附近呢？要解释哈勃张力之谜，我们的银河系必须处于一个比宇宙平均密度低约20%的空洞附近。但这存在一个问题。在假定暗物质和暗能量的现有宇宙演化标准模型，即ΛCDM模型中，很难形成如此巨大且空旷的空洞。
在ΛCDM模型中，宇宙整体的密度分布应当几乎是均匀的。当然，初期密度高的区域会变得更高，密度低的区域会变得更低，从而形成网状的宇宙大尺度结构骨架，但却无法重现直径达1亿光年量级的巨大空洞。因此，仍有不少天文学家质疑那种试图将哈勃张力仅仅解释为因我们处于巨大空洞附近而产生的“视觉误差”的尝试。
然而，在本次论文中，天文学家提出了一个更为大胆的建议。如果应用一种非ΛCDM模型，而是一种引力作用方式稍有不同的替代模型，或许就能解释哈勃张力之谜。
天文学家为了解释星系外围星星运动过快的问题，推测星系内存在一种虽然不发光但能贡献引力的未知物质。这被称为“暗物质”。暗物质不仅在星系内恒星运动中，而且通过引力透镜等多种目前的观测，其存在在一定程度上已被接受。暗物质是一个神秘的概念，它不与光产生任何相互作用，只通过引力显现其存在。然而，关于暗物质究竟由什么物质组成，至今一无所知。
因此，一些天文学家试图用除暗物质以外的方式来解释星系内恒星过快的运动。其中最典型（也相对最成功）的尝试是被称为“修正牛顿动力学（MOND）”的假说。简单来说，MOND始于这样一个假设：在距离极其遥远、引力作用微弱的天文尺度上，引力效果可能比现有的预期要强。相比现有相对论所描述的方式，如果引力在远距离能更强地发挥作用，那么即使在星系外围，恒星也能被更强的引力所束缚。这样就能解释为什么距离星系中心遥远的外围恒星也能以足够快的速度旋转。
将这种MOND假说应用到宇宙大尺度结构中，会产生有趣的结果。如果引力在远距离能比现有预期更强，那么处于四方遥远距离的宇宙大尺度结构中的高密度区域，就能以更强的引力吸引我们周围的星系。这样一来，即使不假设我们的银河系被包含在巨大的超大空洞内，也能解释为什么我们周围的星系观测起来像是以相当快的速度向四方被拉扯。
根据本次论文的结果，如果不使用现有方式，而是使用MOND方式应用引力，哈勃张力便能完美消失！也就是说，通过宇宙微波背景辐射推算的宇宙膨胀率与通过星系运动推算的宇宙膨胀率之间的差异完美消失了！至此，我们的宇宙终于成为一个只有一个膨胀率的和平宇宙。
当然，MOND仍然存在一个重要的局限性，即无法完美克服现有暗物质模型所解释的各种其他独立观测结果。但这项研究意义重大，因为它不仅是在单一星系尺度，而是在整个宇宙规模上应用了MOND，并由此提出了解决现代宇宙学尚未解开的巨大难题的可能性，这是一个非常有趣的结果。
MOND假说在天文学界目前仍被视为非主流。但它并未中断，而是持续地、顽强地被严肃讨论着。MOND能否最终成为在宇宙学层面上完美解决“哈勃张力”这一谜题的学术界新主流呢？正如复杂交织成网状的宇宙大尺度结构之结一般，宇宙的秘密仍未解开。
宇宙大尺度结构不仅是一张真实展现我们所处宇宙样貌的地图，更可以说是一张蕴含着无数宇宙秘密的藏宝图。为了那些在每天阴云密布、天气忧郁的日子里，也想每天感受云层之上宇宙大尺度结构的“宇宙极客”读者们，特此介绍一个特别的项目。
伞撑开的瞬间，难道不就像是时空瞬间展开的大爆炸时刻吗？就像我们每时每刻都站在半径490亿光年的可观测圆形宇宙中心一样，如果站在承载着宇宙的圆形雨伞中心，似乎每时每刻都能感受到属于我自己的宇宙。因此，我开始了名为“刻有宇宙大尺度结构的专属可观测宇宙雨伞”的项目。
将跨越138亿年的宇宙大尺度结构形成过程的模拟图像，一针一线地刻在雨伞上，撑开伞的瞬间，属于我的可观测宇宙便随之开启。希望在雨点滴落的阴雨天里，您也能成为宇宙的主人公。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338
https://academic.oup.com/mnras/article/524/2/1885/7218572
https://academic.oup.com/mnras/article/526/2/3051/7296158
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/775/1/62
笔者 池雄培（Ji Ung-bae）是？热爱猫咪与宇宙。儿时看过《银河铁道999》后，立志要让人们了解宇宙的美丽。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用进行的演化，同时进行讲座和写作等多种科学交流活动。著有《暧昧天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。