宇宙空洞，并非真正的“空”|中微子|宇宙学|宇宙空洞|引力|星系|空间望远镜

如果让我们去想象整个宇宙的景象，脑海中首先浮现的，或许是夜空中的满天繁星。但在宇宙大尺度结构的研究中，我们讨论的基本对象并非单颗的恒星，而是由成百上千亿颗恒星组成的星系。在更宏观的尺度上，许多星系会聚集成星系团（cluster），而连接这些密集节点的，则是由物质和暗物质构成的纤维状结构（filament）。它们共同交织成了错综复杂的“宇宙网”（cosmic web）。然而，这张网并没有铺满整个空间，在这些网络结构之间，存在着许多辽阔的、几乎看不到任何光亮的区域，这就是所谓的宇宙空洞（cosmic void）。

那这些空洞是真的“空”吗？在过去很长的一段时间里，研究人员只是把这些区域当成宇宙大尺度结构里不起眼的“陪衬”，毕竟那些地方几乎没有可供观测的目标。但是到了最近几年，越来越多的基于模拟与观测数据的研究表明，这些看似“一无所有”的黑暗区域，恰恰承载着解开我们所处宇宙关键物理谜团的线索。它之所以吸引了大量目光，并非因为它真的空无一物，而是因为它并非绝对真空，其内部恰恰蕴含着丰富的宇宙学信息。

第一次看见“宇宙空洞”

在上世纪70年代以前，天文学界对宇宙的认知还相当有限。虽然许多星系会聚集成团，但从更宽广的尺度看，宇宙物质的分布理应是均匀的。这种均匀性在宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB）中得到了最直观的印证——这份来自大爆炸后约38万年的早期宇宙的辐射，勾勒出的正是一个物质几乎完全均匀混合的宇宙，其分布之平滑，犹如一块奶油干酪（Cream cheese）。

然而，1978年，两位研究人员Laird A. Thompson和Stephen A. Gregory在测量星系距离时，意外发现了一片分布异常稀疏的区域，这标志着宇宙空洞首次进入研究者的视野。这个发现看似只是观测中的一个疑点，却成了动摇人们对宇宙均匀性固有认知的开端。1981年，Robert Kirshner所在的研究小组在牧夫座（Boötes）方向发现了一个直径约4亿光年的巨大空洞。它的范围极其广阔，以至于后来有研究人员打趣说，如果把银河系放在这个空洞的中心，人类可能直到20世纪60年代才会知晓宇宙中还存在着其他星系。

实际上，单个空洞的存在尚不足以证明宇宙中普遍存在这种结构。真正让我们认识到宇宙空洞并非个例的决定性证据出现在1986年。Margaret J. Geller、John Huchra以及Valérie de Lapparent经过长时间的观测，终于画出第一幅局域宇宙的“三维地图”。他们发现，之前发现的空洞并非孤例，而是宇宙大尺度结构中普遍存在的区域。自此，宇宙空洞的存在，对“奶油干酪”式的均匀宇宙假设构成了严峻挑战，而我们的宇宙，实际上更像有着很多孔洞的“瑞士干酪”（Swiss cheese）。

图2 早期宇宙与当今宇宙对比示意图。来源：Gemini生成

沉寂的几十年与暗能量的登场

尽管宇宙空洞早在20世纪80年代便已被确认存在，但对于它的研究却在随后的几十年陷入了低谷。原因非常现实：相关观测数据实在有限。从20世纪90年代到21世纪初，能够确认的宇宙空洞样本始终不足。而在统计学意义上，只有当样本量达到成千上万，才能支撑起可靠的分析，进而对宇宙大尺度结构展开统计研究。

直到1998年暗能量的发现，才打破了这种沉寂的局面。观测证实宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀，这意味着存在一种对抗引力的“负压”能量。而宇宙空洞，作为宇宙中的低密度区域，恰好为研究暗能量提供了一个独特的机遇。

在星系团等致密环境中，引力极其强大，暗能量的效应则几乎被完全掩盖掉了。但在宇宙空洞内部，物质极其稀薄，引力作用相对微弱，暗能量的排斥作用反而成了主导空洞演化的核心。此外，宇宙空洞对中微子的质量也十分敏感。因为中微子的速度极快，不会像普通物质那样聚集成团，而是均匀散布在整个宇宙中，并在宇宙空洞中自由地流动。它们微弱的引力，会对宇宙空洞的膨胀速度产生细微的影响。通过对比早期和当今宇宙空洞的平均尺寸，研究人员就能进而推算出中微子的总质量。

当然，想要通过宇宙空洞来探测暗能量和中微子，并非易事。研究人员面临的第一个挑战来自于观测本身：我们无法直接测量星系的空间位置，只能通过红移来推测它们的距离。但星系并不是静止不动的。在宇宙空洞内部，物质正源源不断地向外膨胀逃离，使得我们观测到的空洞在视线方向上被拉长。这种现象被称为红移空间畸变（redshift space distortions, RSD）。更麻烦的是，为了把观测到的红移数据换算成物理距离，我们必须假设一个基准宇宙学模型。如果假设错了，空洞的形状就会进一步发生几何扭曲，这被称为Alcock-Paczynski效应。

面对这些看起来像是“假象”的干扰，研究人员则是通过宇宙学模拟找到了破解之道。因为空洞形状畸变的程度本身取决于假定的宇宙学参数。通过测量空洞在纵向和横向上的变形，反而能够进一步约束宇宙学模型。目前，相关方法已在空洞的尺寸演化、内部密度轮廓演变以及和其他观测源的交叉相关函数等多类探针上得到验证。而基于中国空间站巡天空间望远镜（Chinese Space-station Survey Telescope, CSST）的模拟数据与Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) 观测数据，我们围绕宇宙空洞开展了相关研究，系统检验了空洞尺寸函数限制宇宙学参数的能力，并对空洞与星系互相关信号进行了精确测量。这些分析从模拟与观测两个层面验证了宇宙空洞作为探针研究宇宙大尺度结构的稳健性与可行性，同时也为后续包括CSST在内的更大规模巡天数据的应用提供了参考。

宇宙空洞作为研究对象的科学价值逐渐显现，也直观地体现在近十年的研究数据中：空洞相关的科研产出与引用量正呈指数级攀升。这种趋势也表明，宇宙空洞已经逐渐发展为一项常规且可靠的宇宙学探针。

图3 近几十年宇宙空洞研究论文产出（上）与引用趋势（下）。数据来源：NASA/ADS

实际上，宇宙空洞的意义不仅限于对宇宙学的研究。它们极端的低密度环境，也为研究星系形成与演化提供了一个天然的“对照实验室”。空洞中的星系处于相对孤立的环境，缺乏频繁的并合和气体吸积。这种外部环境的“真空”效应，使得空洞内的星系往往呈现出较高的恒星形成率以及颜色上更蓝的特征。通过系统比较空洞内外的星系性质，研究人员可以有效剥离环境因素对星系演化的影响，从而更清晰地理解星系自身演化与外部环境依赖如何反映在星系的性质上。

亿万级的星系观测时代

随着理论模型日益成熟和观测能力的飞跃，针对宇宙空洞的研究已经处于快速增长的阶段。曾经，可用于统计分析的宇宙空洞样本极为匮乏；而到了今天，随着斯隆数字巡天（The Sloan Digital Sky Survey, SDSS）等项目的积累，经过严谨筛选的可靠空洞样本已经达到了数千个。

图4 斯隆数字巡天中的宇宙空洞三维分布图。来源：Martin Krzywinski

这种数据量在不久的将来还会迎来指数级的爆发。当前，暗能量光谱仪巡天（The Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）的五年计划已圆满完成，预计可以提供十万量级的宇宙空洞进行宇宙学研究。并且随着欧几里得空间望远镜（Euclid）、罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope, RST），以及我国的CSST等新一代设施相继启用，预计在未来的5到10年内，可获取的宇宙空洞样本将达到数十万乃至百万级别。

在过去，人类的目光总是指向那些华丽的、绚烂的星系。如今，我们正在慢慢尝试把视线转向那些潜藏在璀璨的宇宙网内的“阴影”。这些看似空无一物的低密度区域，不仅记录着宇宙的演化历史，更暗藏着暗能量、中微子乃至宇宙基本物理法则的秘密。在如今的大数据时代，宇宙空洞极有可能成为我们攻克这些宇宙谜团的重要突破口。

参考文献

Thompson Laird A. and Gregory Stephen A. 2011, arXiv:1109.1268

Kirshner R.P., Oemler Jr. A., Schechter P.L. and Shectman S.A., 1981, ApJL, 248, 57

de Lapparent V., Geller M.J. and Huchra J.P., 1986, ApJL, 302, 1

Contarini Sofia, Verza Giovanni and Pisani Alice,2026, A&A Review, 34, 1

Riess Adam G., Filippenko Alexei V.,et al. 1998, AJ, 116, 1009

Verza Giovanni, Pisani Alice,et al. 2019, JCAP, 12, 40

Mauland R., Elgaroy O,et al. 2023, A&A, 674, 185

Correa Carlos M.,Paz Dante J.,et al. 2021, MNRAS, 500, 911

Hamaus N., Aubert M,et al. 2022, A&A, 658, 20

Contarini S., Verza G,et al. 2022, A&A, 667, 162

Y. Song, Q. Xiong, Y. Gong,et al. 2024, MNRAS, 532, 1049