在牧夫座，有一塊寬約2億5千萬光年的空間，堪稱宇宙中最黑暗的地方。在這個被稱為空洞（或巨洞，void）的區(qū)域內(nèi)，宇宙幾乎是空白的。如果以銀河系為中心，這樣大的一個范圍內(nèi)將擠滿數(shù)千個星系；而在牧夫空洞（Bo?tes void）中只有60個。在空洞的中心，宇宙是黑暗而空曠的。

假設(shè)星系是城市，空洞的邊界是效區(qū)，那空洞的中心就是最荒涼的曠野。地圖上如果只有城市和公路，那地圖就不完整，因此需要把它們之間的空間也填充進去?？茖W(xué)家正在逐步地進入這個最深、最黑暗的空洞曠野，來完成這幅地圖。而這樣做的目的，是為了研究我們宇宙中另一些更為強大的黑暗事物。

比如，占我們宇宙總質(zhì)量80%的暗物質(zhì)。它們既不發(fā)光，也不吸收光線。但是由于暗物質(zhì)的原子引力，星系和星系團才有存在的可能。因此，恒星、氣體和塵埃等所有構(gòu)成宇宙的有形物，能夠反映出底層暗物質(zhì)的分布。星系密集之處，暗物質(zhì)稠密。反過來也是如此：在沒有或幾乎沒有星系的地方，暗物質(zhì)也應(yīng)該是稀少的。

Joseph Clampitt是美國賓夕法尼亞州大學(xué)的博士后研究員，他解釋說：“這些空洞是非常浩瀚的，它是暗物質(zhì)分布的低谷區(qū)，而星系則是陡峭的山峰?！叭绻麑⒚芏绒D(zhuǎn)化為高度，”那星系就是帝國大廈；而中等大小的空洞則是一個3英尺深的坑，它的占地面積相當(dāng)于3個曼哈頓?！睂ふ铱斩矗瑸榈氖峭瓿晌覀兊陌滴镔|(zhì)地圖。

只有通過三維測定，才能讓我們了解這些區(qū)域到底有多大、多空。

空洞還可以為科學(xué)家講述另一個關(guān)于黑暗的故事——暗能量。暗能量可能推動了宇宙的加速膨脹，而它也會同時讓這些空洞的體積增大、數(shù)量增多。俄亥俄州立大學(xué)宇宙學(xué)與天文粒子物理中心的宇宙學(xué)家Peter Melchior說，測量空洞的大小和輪廓形狀可以幫助我們定位這種神秘的力量。“它可以告訴我們這些強大的黑暗能量是如何起作用的，因為暗能量會隨著時間的推移而逐漸使空洞的體積增大?！?/p>

正因為它們空無一物，因此它們才充滿了希望。而剩下的唯一問題是，在這個充滿了物質(zhì)的浩瀚宇宙中，該如何找到它們呢？

宇宙之網(wǎng)：這幅宇宙結(jié)構(gòu)的模擬圖中，每一個亮點都對應(yīng)一個星系團，而空白區(qū)域就是空洞。 – 沃克·斯普林格爾及室女座財團，馬克斯·普朗克天體物理研究所（Volker Springel and the Virgo Consortium, Max Planck Institute for Astrophysics）

即使巨大如牧夫空洞，也只是到1981年才被Robert Kirshner及其同事們發(fā)現(xiàn)。雖然我們生活在三維宇宙中，但是我們看到的天空仍是二維的，這是因為宇宙的浩瀚阻礙了我們對深度的感知?？斩词菢O其巨大而空曠的，但是前景和背景中的大量星系會干擾我們的視線。只有使用精密的儀器進行三維測定，才能讓我們了解這些區(qū)域到底有多大、多空。

自牧夫空洞被發(fā)現(xiàn)之后，天文學(xué)家又用類似的手法發(fā)現(xiàn)了一系列類似的宇宙空白區(qū)。其中一個非?？拷y河系，它被很有創(chuàng)意地命名為“本地空洞（Local Void）”?？斩词瞧毡榇嬖诘模掖笮?、形狀各異。但是僅僅知道它們存在還不夠：科學(xué)家想要知道它們有多少，有多大，以及它們在時空中是如何分布的。

為了完成這個任務(wù)，科學(xué)家開始將注意力轉(zhuǎn)向引力。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，所有物質(zhì)與能量形式產(chǎn)生的引力，都會對光線的傳播路徑產(chǎn)生影響?！耙饩€的影響類似于玻璃鏡片或棱鏡，”Clampitt說——雖然這非常難以觀測。物質(zhì)密度大的地方，光線受影響的程度強，會產(chǎn)生遙遠天體的多個扭曲圖像：這種現(xiàn)象被稱為“強引力透鏡”。而物質(zhì)稀少處會產(chǎn)生“弱引力透鏡”現(xiàn)象，背景星系會被輕微地放大，結(jié)果較為微妙，需要非常仔細的觀測才能發(fā)現(xiàn)。

可以利用這些不同的透鏡現(xiàn)象來尋找空洞。正如Clampitt所解釋的那樣，星系或星系團可以產(chǎn)生“線狀或桶狀”的引力透鏡，而空洞形成的是“輻射狀或枕形”圖案。雖然單個空洞產(chǎn)生的引力透鏡現(xiàn)象比較微弱，檢測的可靠性也低，但Melchior和他的合作者們今年還是證明了由多個空洞共同產(chǎn)生的引力透鏡是可以被檢測到的。它們從SDSS（斯隆數(shù)字化巡天，Sloan Digital Sky Survey）的浩瀚數(shù)據(jù)中找出901個已知宇宙空洞并將它們“疊”在一起，平均地估計通過它們的光線，以提取它們的一般引力參數(shù)。從一些已經(jīng)證實的空洞著手，小組將空洞的透鏡信號與理論模型的預(yù)測作了比較，以探求它們是否真的和預(yù)計一樣空曠。結(jié)果是肯定的，這些區(qū)域內(nèi)星系非常少，暗物質(zhì)也非常少。這個結(jié)果是預(yù)料中的，但同時也是對宇宙學(xué)理論的一次確認(rèn)。

Clampitt在賓夕法尼亞大學(xué)進行了一項不限于已知空洞的互補性計劃。在天體物理學(xué)家Bhuvnesh Jain的協(xié)助下，他直接在SDSS目錄中搜索預(yù)期與空洞有關(guān)的弱引力透鏡標(biāo)志，而沒有事先參考星系的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大約20000個可能存在的空洞，以至于現(xiàn)在學(xué)者們要準(zhǔn)備復(fù)查星系的分布數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

加利福尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家Asantha Cooray說，利用引力透鏡來尋找空洞是一種新穎的手法。他解釋道：“在此之前，弱引力透鏡通常被用于測量物質(zhì)的分布，如星系團和星系群?，F(xiàn)在這樣的測定不僅可以由透鏡效果來估計空洞的大小……而且還證實了宇宙中的確存在著大量這樣缺乏星系的空間?！贝送?，相關(guān)的論文還確認(rèn)了星系形成理論中的一個主要方面，即在星系的形成過程中，暗物質(zhì)會形成結(jié)節(jié)和長絲，并在兩者間留出大量空白的空間。

牧夫空洞距地球大約7億光年，離我們相對較近。而許多空洞非常遙遠，散布在整個天空中。SDSS和它的繼承者——基地設(shè)于新墨西哥州阿帕奇點天文臺的BOSS（重子振蕩光譜巡天，Baryon Oscillation Spectroscopic Survey），將選擇北半球天空中的一部分，從銀河系最厚的部分進行觀測。而其它巡天計劃，包括一些當(dāng)前還在準(zhǔn)備中的項目，將覆蓋更大范圍的天空，專注于尋找弱引力透鏡和空洞透鏡。

空洞，將成為未來天文學(xué)中的重要組成部分——不僅是天文學(xué)，它對于物質(zhì)，以及宇宙本身也是如此。這是因為，在遙遠的未來，暗能量將使宇宙變得更為空曠。宇宙之網(wǎng)將隨風(fēng)飄散，只在深深的黑暗和星系間留下零星的殘余。數(shù)萬億年后，稀罕的將是物質(zhì)，而不是空洞。

原載：nautil.us