最近，宇宙學中出現了”哈伯緊張局勢”，其特點是膨脹率測量結果相互矛盾，這引發了人們對標準宇宙學模型的質疑。一種新的理論認為，一個巨大的、密度不足的虛空可以解釋這些差異，這對宇宙中物質分佈的傳統觀點提出了挑戰，並暗示著愛因斯坦引力理論的潛在修正。

宇宙學家提出了一個巨大的太空空洞作為”哈伯張力”的解決方案，挑戰了傳統模型，並建議對愛因斯坦的引力理論進行修正。

宇宙學中最大的謎團之一是宇宙膨脹的速度。這可以透過宇宙學標準模型（又稱蘭姆達-冷暗物質（ΛCDM））來預測。這個模型是基於對宇宙大爆炸遺留下來的光線–即所謂的宇宙微波背景（CMB）–的詳細觀測。

宇宙的膨脹使得星系彼此遠離。離我們越遠的星系移動得越快。星系的速度和距離之間的關係受”哈伯常數”制約，即每兆帕秒（天文學中的長度單位）約為每秒43 英里（70 千米）。這意味著一個星系每遠離我們一百萬光年，它的時速就會增加大約5 萬英里。

但不幸的是，對於標準模型來說，這個數值最近受到了爭議，導致了科學家所說的”哈伯張力”。當我們用附近的星系和超新星（爆炸的恆星）來測量膨脹率時，它比我們根據CMB 預測的膨脹率要大10%。

藝術家構想的巨型虛空及其周圍的細絲和壁。圖片來源：Pablo Carlos Budassi

在我們的新論文中，我們提出了一個可能的解釋：我們生活在一個巨大的太空虛空（密度低於平均值的區域）。我們的研究表明，這可能會透過虛空中的物質外流來膨脹當地的測量值。當虛空周圍密度較高的區域將其拉開時，就會產生外流–它們會比虛空內部密度較低的物質產生更大的引力。

在這種情況下，我們需要靠近半徑約10 億光年的虛空中心，其密度比整個宇宙的平均密度低約20%–因此並非完全空無一物。

如此巨大而深邃的虛空在標準模型中是始料未及的，因此也備受爭議。CMB 提供了宇宙雛形的結構快照，顯示今天的物質應該是均勻分佈的。然而，直接計算不同區域的星系數量確實表明，我們正處於局部空洞之中。

調整萬有引力定律

我們想進一步驗證這個想法，假設我們生活在一個大空洞中，而這個空洞是由早期的小密度波動形成的，從而與許多不同的宇宙學觀測結果相符。

為此，我們的模型並沒有採用ΛCDM，而是採用了一種名為修正牛頓動力學（MOND）的替代理論。

MOND最初是為了解釋星系旋轉速度的異常而提出的，這也是人們提出”暗物質”這一不可見物質的原因。而MOND 則認為，當重力非常微弱時，牛頓萬有引力定律就會失效，星系外圍區域就是這種情況。

MOND中的整體宇宙膨脹歷史與標準模型類似，但結構（如星系團）在MOND中會成長得更快。我們的模型捕捉了本地宇宙在MOND宇宙中可能的樣子。我們還發現，它可以讓今天的本地膨脹率測量值根據我們的位置而波動。

CMB 溫度波動： 根據九年的WMAP 數據繪製的幼年宇宙的詳細全天空圖，揭示了137.7 億年前的溫度波動（以色差顯示）。資料來源：美國國家航空暨太空總署/WMAP 科學小組

最近的星系觀測為我們的模型提供了一個重要的新測試，這個測試是基於它在不同位置預測的速度。這可以透過測量一種稱為”體積流”（bulk flow）的數值來實現。”體積流”是給定球體中物質的平均速度，無論是否緻密。它隨著球體半徑的變化而變化，最近的觀測表明，它的半徑可以延伸到10 億光年。

有趣的是，在這個尺度上星系的整體流動速度是標準模型預期速度的四倍。它似乎也隨著所考慮區域的大小而增加–與標準模型的預測相反。這與標準模型一致的可能性低於百萬分之一。

這促使我們去看看我們的研究是如何預測體流的。我們發現它與觀測結果非常吻合。這就要求我們離虛空中心相當近，虛空中心是最空的。

結案了？

我們的結果出現在哈伯張力的流行解決方案陷入困境的時候。有些人認為我們只需要更精確的測量。另一些人則認為可以透過假設我們在本地測量到的高膨脹率實際上是正確的膨脹率來解決這個問題。但這需要對早期宇宙的膨脹歷史稍作調整，這樣CMB看起來仍然是正確的。

不幸的是，一篇頗具影響力的評論強調了這種方法的七個問題。如果在宇宙歷史的絕大部分時間裡，宇宙膨脹速度加快10%，那麼宇宙也會年輕10%–這與最古老恆星的年齡相矛盾。

星系數量計數中存在的深度和廣度局部空洞，以及觀測到的快速體積流，都有力地表明，在數千萬至數億光年的尺度上，結構的增長速度比ΛCDM中預期的要快。

這是哈伯太空望遠鏡拍攝到的有史以來最巨大的星系團影像，當時宇宙的年齡只有現在的一半，也就是138 億年。這個星系團包含數百個在集體引力作用下蜂擁而至的星系。根據新的哈伯測量結果，該星系團的總質量估計與我們的太陽一樣重達300 萬億顆恆星（約為我們銀河系質量的3000 倍）–不過大部分質量都作為暗物質隱藏起來了。暗物質的位置在藍色疊加圖中標示。由於暗物質不會發出任何輻射，哈伯天文學家可以精確地測量出暗物質的引力是如何扭曲遠處背景星系的圖像的，就像一面有趣的鏡子。這使他們能夠估算出星團的品質。這個星系團在2012 年被暱稱為”El Gordo”（西班牙語，意為”胖胖的那個”），當時的X 射線觀測和運動學研究首次表明，在早期宇宙中，這個星系團的質量異常巨大。哈伯數據證實，這個星團正在經歷兩個較小星團的劇烈合併。圖片來源：NASA、ESA 和J. Jee（加州大學戴維斯分校）

有趣的是，我們知道大質量星系團埃爾戈多（El Gordo）（見上圖）在宇宙歷史上形成得太早，質量和碰撞速度太高，不符合標準模型。這進一步證明，在這個模型中，結構形成的速度太慢。

由於引力是如此大尺度上的主導力量，我們很可能需要擴展愛因斯坦的引力理論–廣義相對論–但僅限於大於一百萬光年的尺度。

然而，我們沒有很好的方法來測量引力在更大尺度上的表現–沒有那麼大的引力約束物體。我們可以假定廣義相對論仍然有效，並與觀測結果進行比較，但正是這種方法導致了我們最好的宇宙學模型目前所面臨的非常嚴重的矛盾。

據說愛因斯坦曾說過，我們不能用導致問題產生的思考方式來解決問題。即使所需的改變不是翻天覆地的，我們也有可能看到一個多世紀以來第一個可靠的證據，證明我們需要改變我們的萬有引力理論。

作者：Indranil Banik，聖安德魯斯大學天文物理學博士後研究員。