新方法利用观测到的局部超空洞为宇宙膨胀提供额外推动力，解决哈勃张力问题

Josiah02

一个世纪以来，天文学家都知道宇宙正在膨胀。现在我们可以追踪宇宙近 140 亿年历史中的大部分膨胀过程，其中重要的约束可以追溯到大爆炸后仅一秒钟！今天的膨胀率被称为哈勃常数 (H 0 )。
我们可以利用宇宙历史早期或晚期的观测结果找到 H 0 ，但这些观测结果给出了不同的答案。这种差异被称为“哈勃张力”，这是宇宙学的一场真正危机。
早期通往 H 0 的路径涉及宇宙微波背景(CMB)，即大爆炸留下的光。无论我们朝哪个方向看，它几乎都是均匀的，但 CMB 中存在 0.001% 的波动，并且这些波动具有特征模式。就像吉他弦只能根据其长度以特定频率发出声音一样，CMB 也是如此。
通过测量 CMB 天空中哪些角度的“噪音”较多、哪些角度的“噪音”较少，我们基本上可以聆听早期宇宙，并找到 CMB 发射时它的大小。
使用被称为 Lambda 冷暗物质 (ΛCDM) 的标准宇宙学模型对这些信息进行详细建模表明，只有一组精确的宇宙学参数才能实现良好的拟合，这些参数包括 H0以及物质和暗能量的密度等。
这一对当前膨胀率的明确预测可以在附近的宇宙中得到检验。我们看得越远，光传播的时间就越长，因此宇宙在这段时间内膨胀得就越大。
这种膨胀还会拉伸单个光子，使更远的星系和超新星看起来更红。通过在“哈勃图”上绘制这种“红移”与超新星距离的关系，我们得到了一种几乎线性的关系，即哈勃定律。它的斜率告诉我们 H 0。
这种方法得到的 H 0值始终比基于 CMB 的值高出约 8%，但误差幅度低于 2%——这就是哈勃张力的由来。
局部测量假设宇宙膨胀是红移的唯一重要贡献。但这并不适用于大多数邻近星系：仙女座星系发生蓝移，因为尽管宇宙在更大尺度上膨胀，但由于相互引力的作用，仙女座星系正在向银河系靠近。
为了尽量减少局部结构的影响，天文学家在测量 H 0时通常不会考虑约 3 亿光年内的超新星。但由于膨胀率随时间变化，这会使红移与距离之间的关系弯曲，因此它们也不会超出 20 亿光年。这为从哈勃图测量 H 0留下了一个“窗口”。
局部空洞如何提供帮助
但是这个窗口到底有多干净呢？也许没有普遍认为的那么干净。对整个电磁波谱的观测强烈表明，我们位于一个密度低于平均水平的大区域的中心附近。这个宇宙空洞被称为 KBC 空洞，以它的发现者命名，他们使用了星系数计数。
物质会从 KBC 空洞流向密度更大的周围环境。这会在宇宙膨胀之上产生额外的“特殊”速度。这些特殊速度大部分会指向远离我们的方向，从而产生额外的红移，从而增强局部 H 0测量值。
过剩红移首先会随着距离的增加而上升，然后在空洞之外再次下降。我们在 2020 年的一篇论文中表明，这可以解决哈勃张力并解释星系数量，前提是我们的宇宙区域比距离我们十亿光年内的平均密度低约 20%。
如此巨大而深的超级空洞在标准理论中是意料之外的。然而，有迹象表明，结构的增长速度比预测的要快，从巨大的弧和气体云环，到像埃尔戈多这样质量太大的星系团碰撞。
在我们的模型中，我们必须人为地提高引力强度才能形成 KBC 空洞。我们认为这种修改只会影响大约一千万光年以外的长度尺度，而那里的引力强度很难测试。
测试局部空洞模型
在最近的一项研究中，我们进一步测试了局部空洞理论。利用我们之前发表的局部空洞模型，我们计算出了它所预测的附近宇宙的速度场。这项研究发表在《皇家天文学会月刊》上。
这取决于我们在空洞内的确切位置。通过选择合适的有利位置，我们发现可以很好地匹配“整体流”，即某个固定半径球体内所有物质的平均速度。由于天文学家只能获得视线上的速度，因此存在一些技术细节，但主要观点是，可以在不假设 H 0 的情况下测量整体流。
总体流量取决于所考虑区域的大小，目前的结果已超出十亿光年。我们的模型与这些观测结果非常吻合。然而，在最大半径处观测到的总体流量是 ΛCDM 预期值的四倍。
我们正在进行其他几项测试。其中一项测试使用重子声学振荡 (BAO) 作为“标准标尺”。CMB 中明显的振荡印记在物质的大尺度分布上，从而导致星系调查中出现特征长度尺度。这个长度只会因宇宙膨胀而增长。
通过在不同时间测量此标准尺的角度刻度，我们可以绘制膨胀历史。在局部宇宙中，与无空洞宇宙学相比，应该存在轻微偏差，因为空洞的流出会增加红移，从而扭曲红移与 BAO 角度刻度之间的关系。过去二十年的 BAO 测量结果就显示了这种偏差。
ΛCDM 无法解决哈勃张力问题，也无法解释观测到的如此大而深的空洞。也许宇宙学家需要把自己置于一个真实空洞内的正确位置，才能摆脱哈勃张力。
本报道是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在此报告其已发表研究论文的发现。访问此页面可了解有关 Science X Dialog 的信息以及如何参与。
我拥有圣安德鲁斯大学的博士学位，并在这里做过博士后，还在波恩获得了三年的洪堡奖学金。自 2019 年以来，我一直在研究我们处于十亿光年半径空洞中的可能性，其动机是观察显示整个电磁波谱中都有空洞，以及空洞解决哈勃张力的可能性。
我现在与我的老板哈里·德斯蒙德（Harry Desmond）以及世界各地的其他研究人员一起在朴茨茅斯大学宇宙学和引力研究所测试这个想法。