为了解释宇宙微波背景辐射图上的奇异冷斑,一些科学家提出了一个听起来更加奇怪的理论:在这个方向上有一个非常巨大、里面几乎没有任何物质的空洞。
如想一窥宇宙中最古老的光,只需要调节老式电视机,让它偏离频道就行:屏幕上那些跳动闪烁的小雪花,就是电视天线被宇宙光子无休止地轰击的结果,这些光子诞生于大概138亿年前,即大爆炸之后不久。它们在空间中向着四面八方运动,分布非常均匀。这些平均温度为2.7开的光子构成了弥漫在整个宇宙中的辐射,被称为宇宙微波背景辐射(CMB)。
但是,宇宙的婴儿照有一些不完美的地方。像我这样的物理学家,一般会把这些瑕疵称为反常现象,因为它们无法用标准的宇宙学理论来解释。最为明显的一处反常是研究者在2004年发现的,在美国航空航天局(NASA)的威尔金森微波辐射各向异性探测器(WMAP)绘制的CMB图上,有一块大概有20个满月排列起来那么宽的天区,来自这个天区的远古光子,温度低得不同寻常。科学家把这个区域命名为“冷斑”。
冷斑之谜在科学家中间激发了很多讨论。一种解释是,它不过是个纯粹的偶然现象,没有什么特别的原因。但是,这样的偶然事件发生的概率是极低的,大概只有二百分之一。其他的可能解释五花八门,有些平淡无奇,把它归咎于测量仪器的偏差;有些则相当奇幻,认为冷斑是通向另一个宇宙或隐藏维度的门户。
2007年,根据宇宙的一些已知性质进行适当的外推后,我和其他天体物理学家迸发了灵感。我们意识到,如果宇宙中存在一个超级空洞的话,即一片物质和星系相对而言都非常稀少的广大空间,那么同一片天区就应该会出现冷斑。这个空洞应该是宇宙空间中最空的区域,一个被物质相对稠密的周边环境所包围的、罕见的巨大荒漠。
科学家在考虑了光与较小空洞之间的相互作用机制后,推测超级空洞可能存在,并能产生冷斑。我们设想的超级空洞是一个极端的特例,但中等大小的普通空洞,就是包含星系数目相对较少的区域,在宇宙中是很常见的。与空洞概念相反的是星系团,是由数量可达上千的星系组成的联合体。
2007年,天文学家开始搜寻与冷斑重叠的超级空洞。探测这样一个大结构,说起来容易做起来难。大多数天文巡天观测只生成二维的天图,不能告诉我们天图里的天体有多远。我们看到的星系可能全部聚集在一起,也可能在视线方向上分散得特别远。对每一个星系,天文学家都需要收集更多额外的信息,方能估计其距离,而这样的工作是非常费力的,而且成本也往往高到难以承担的程度。
2010年5月,在加入了由数所大学组成的合作团队后,我和同事开始用PS1测绘占全天面积3/4的天区。我依然记得我试图说服当时Pan-STARRS的首席科学家尼克·凯撒(Nick Kaiser),我建议设备一启用就应该立刻去观测冷斑区域,而不是去干别的事。虽然我没有成功,但是冷斑正好在该望远镜前几年巡天观测计划的覆盖范围之内,我所需要的观测数据会一点一点地积累起来。
我们终于发现了超级空洞。从以前的研究中我们知道空洞和星系团会对CMB带来可观测的影响,产生小的冷斑和热斑。我们所发现的超级空洞也确实与CMB最显眼的反常现象重合。那么,难题解决了吧?并非如此。超级空洞存在,甚至它与冷斑区域重合的事实,都还不足以断言是其中一个现象导致了另一个现象。它们有可能只是偶然排列在一起。当然,我们的分析表明,保守估计的话,超级空洞导致冷斑的可能性要比这种巧合高2万倍。