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定位我们
如果要定位宇宙中的我们，大致是：我们生活在地球上，而地球环绕着太阳，而太阳系在银河系靠外的一个旋臂上，而银河系是本星系群的第二大星系，5000万光年外是室女座星系团，而这些都在拉尼亚凯亚超星系团当中。从拉尼亚凯亚超星系团出发，周围排列了很多其他超大的星系团，而这都在一个10亿光年尺度的“空洞”中。根据近期美国天文学会会议公布的最新观测结果，我们很可能处在“空洞”区域，从这个角度出发，我们能完美的解释：“之前，宇宙膨胀率测量结果为什么差异巨大。”
计算机模拟的大尺度宇宙结构展示了复杂的图案，但从我们的角度，只能看到有限的部分宇宙
Credit: V. Springel et al., MPA Garching, and the Millenium Simulation
宇宙的有趣结构
从最大的尺度看，宇宙是均一的，它的能量和物质“均匀”的分散开来。也就是，如果你假想一个直径为上百亿光年的球，不管在哪里，这个球框住的质量是相近的，精度可达99.99%。但如果这个假想的球体比较小，那在不同的地方差异就会很大。万有引力会吸引物质不断聚集在大尺度纤维结构、星系群和星系团，这样低密度区域的密度会持续下降，形成宇宙的“空洞”。
斯隆数字巡天展示了我们周围的宇宙，橙色区域是密度较高的星系团和大尺度纤维结构
Credit: Sloan Digital Survey
现今，宇宙物质的分布像是蜘蛛网和瑞士奶酪的结合体。中间的“空洞”大的惊人，常常达到数千万光年。而物质聚集的地方，比如大尺度纤维结构，它的断面就是连接形成宇宙的“网”，连接着超大型的星系团，很多质量可以达到我们星系的上千倍。
宇宙包含很多致密的区域和“空洞”区域，它们大小各异，但如果在足够大的尺度看，仍相对均一
Credit: Andrew Z. Colvin of Wikimedia Commons
有趣的是，如果我们将尺度调整到5-30亿光年，我们常常会看到同时包含“空洞”、星系团、大尺度纤维结构的“瑞士奶酪”，而整体的质量会有20%甚至更大的区别。
从我们太阳系，到周围星系，再到更远星系，可以建立宇宙距离阶梯
Credit: NASA,ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)
我们在致密区域还是空洞中？
那我们是在致密的区域还是“空洞”的区域呢？如果我们在致密区域，你就会发现在宇宙膨胀现象中背离了我们的观测结果。因为你所在的区域拥有更多的物质，周围的万有引力会更加强大，这里的宇宙膨胀率会相对低些。如果测量遥远的地方，宇宙膨胀率貌似恢复正常，但不管怎么测量，你所在区域的膨胀率低于均值。你可以使用视差、造父变星甚至超新星方法都将得到如上结果。
现代测量方法的差异：红色为距离阶梯法、绿色为宇宙微波背景辐射法、蓝色为重子声学震荡法
如果我们在“空洞”区域，你所在的区域周围万有引力低于均值，宇宙膨胀率就会相对高些。我们已经注意到近几年的观测数据：如果我们尝试使用这些宇宙距离阶梯技术来测量宇宙膨胀率，我们发现这样计算出的宇宙膨胀率比其他方法高5-10%。如果我们使用宇宙微波背景辐射或超远距离的星系团，我们得到的哈勃膨胀率67-68km/s/Mpc，而如果使用近处的星系我们得到72-75km/s/Mpc。
三种测量宇宙膨胀率的类型：参照远距离恒星及星系、大尺度宇宙结构和宇宙微波背景辐射
Credit: NASA/ESA Hubble (top L), SDSS (top R), ESA and the Planck Collaboration (bottom)
根据美国威斯康星大学麦迪逊分校艾米·巴杰(Amy Barger)团队的研究，我们银河系所处的“空洞”是巨大的、球形的，不仅包含了我们所在的本超星系团，还包括很多其他超星系团。计算机模拟预估这个范围大小从千万光年到几十亿光年，但实际上我们现有技术还很难准确测量。有比较可靠依据的最大“空洞”是包含我们银河系在内的KBC“空洞”(由科学家Keenan,、Barger和Cowie提出)，它的半径约十亿光年。
随着时间推移，在万有引力的相互作用下，“匀质”的宇宙逐渐变成物质聚集与巨大“空洞”交错的状态
Credit: Volker Springel
根据近期美国天文学会会议上科学家本·豪施特(Ben Hoscheit)发表的最新研究成果，我们所在的巨大球形“空洞”半径约几亿光年。科学家艾米·巴杰指出：“通常，不同的测量结果各不相同。而本·豪施特描述的观测结果与基南(Keenan)早前测量的密度轮廓一致。”
与我们“虚空”相对的是密集区域，每个点均是星系
Credit: ESA/Herschel/SPIRE/HerMES
如果我们所处的区域不是“空洞”，那上述不同测量方式对应不同的哈勃膨胀率就很难解释。除非我们的测量存在系统误差，要不就是宇宙的暗能量存在伴随时间变化的特性。但目前，所有的证据指向一个简单的解释：那就是我们处在“空洞”的区域。
作者：Ethan Siegel
原文来源自福布斯《从宇宙大爆炸开始》专栏
翻译：毛明远 | 校对：程燕
编排：毛明远 | 配乐：解仁江
责任编辑：解仁江
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Credit: NASA
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