[비즈한국] 宇宙始於138億年前的大爆炸，並一直在持續膨脹。各種獨立且多樣的觀測證據都表明，宇宙的時空正在膨脹。至少“宇宙正在膨脹”這一宏大事實，是現代宇宙學中任何天文學家都無法否定的明確真相。然而，深入探討時，天文學家對宇宙膨脹模型的看法卻略有分歧。最重要的爭議點在於關於宇宙膨脹率的問題：“我們的宇宙究竟以多快的速度在膨脹？”
這個長期困擾天文學家的難題至今仍未得到明確解釋。然而，這一難題或許正是揭示我們宇宙全新、意想不到可能性的線索。
傳統上，宇宙的膨脹是透過觀測周圍星系的退行現象來確認的。隨著宇宙時空整體均勻地膨脹，距離越遠的星系被觀測到以越快的速度遠離。這種星系距離與各星系退行速度成正比的關係被稱為“哈勃-勒梅特定律”。這是展現宇宙膨脹最直接的觀測證據。
另一方面，還有一種方法可以證明宇宙的膨脹，即透過大爆炸後留下的大爆炸熱痕跡。當時擁有極高密度和溫度的宇宙逐漸均勻地冷卻，大爆炸的餘熱目前以微弱的電磁波噪聲形式遍佈全宇宙，這被稱為“宇宙微波背景輻射”。
問題在於，透過星系退行現象和宇宙微波背景輻射這兩大代表性方式測得的宇宙膨脹率存在輕微偏差。根據宇宙微波背景輻射推算的宇宙膨脹率為67km/s/Mpc。換算成更易理解的單位，意味著距離我們1百萬秒差距（約300萬光年）處的宇宙正以時速24萬4000公里的速度遠離。
然而，透過星系退行現象測量出的宇宙膨脹率數值卻略有不同。最近，透過觀測極其明亮的Ia型超新星，天文學家測量了遠至100億光年外的星系距離與退行速度，由此推算的宇宙膨脹率為73km/s/Mpc。同樣換算後，意味著距離1百萬秒差距處的宇宙正以時速26萬4000公里的速度遠離。
有趣的是，透過（超新星觀測得出的）星系退行現象推算的宇宙膨脹，比僅透過宇宙微波背景輻射推算的膨脹快了約10%。明明是用不同的方法觀察同一個宇宙，根據所用方法的不同，觀測到的宇宙樣貌卻略有差異。這種讓現代天文學感到棘手的謎題被稱為“哈勃張力（Hubble Tension）”。
那麼，為什麼透過周圍遙遠星系運動推算的宇宙膨脹，看起來會比透過宇宙微波背景輻射推算的更快呢？
遍佈宇宙的星系運動實際上包含了極其複雜的因素。不僅有宇宙時空膨脹導致星系間距離變遠的效果，還有鄰近星系間因引力相互吸引的效果。因此，為了從星系運動中得出宇宙膨脹率，必須剔除星系間相互拉扯產生的牽引效應。這種星系間因引力相互拉扯的運動被稱為星系的“本體流（Bulk flow）”。這種個體星系透過引力產生的相互作用，會成為阻礙因素，使得僅憑星系觀測很難把握純粹的宇宙時空膨脹效果。
在觀測完周圍星系的運動方向和速度後，若從整體運動中減去純粹的宇宙時空膨脹所預期的星系間遠離效果，就能單獨濾除由引力導致的牽引效應。最近，天文學家透過此類分析，對大範圍宇宙中純粹由引力產生的星系本體流進行了觀測。這就是“宇宙流（Cosmicflows）”專案，透過確定以銀河系為中心約1億光年內的18萬個星系的位置和運動，旨在分析剔除了宇宙膨脹效果後的純粹星系本體流。
然而，分析了宇宙流觀測資料的天文學家發現了意想不到的結果。在約8000萬光年以內的絕大多數星系，都表現出一種一致的平均運動趨勢，即朝著特定的人馬座方向似乎流動得更快。彷彿在那個方向的盡頭，有什麼巨大的質量團正在一致地吸引著這些星系。這暗示了一種可能性：星系可能正受到比我們周圍密度更高的區域的引力吸引，從而向外被拉扯得稍微快了一些。
基於星系的這種本體流，一些天文學家很久以前就推測，我們銀河系可能位於一個相對於周圍而言星系密度較低的空曠區域，即巨大的“空洞（Void）”附近。充滿宇宙的星系並非隨機分佈。密度較高的區域引力更強，聚集了大量物質；而密度較低的區域則不斷向四方流失物質，留下了空曠的區域——空洞。因此，星系形成了如同複雜交織的網狀般的宇宙大尺度結構。如果我們的銀河系真的位於巨大的“本地空洞（Local void）”附近，就能解釋為什麼我們周圍星系的運動看起來比宇宙微波背景輻射推算的宇宙膨脹要快。
本地空洞周圍存在星系密度更高的區域。因此，銀河系周圍的星系不斷被吸引向四方的高密度區域。對於居住在本地空洞中心附近的我們來說，觀測到的現象就像是周圍的星系正在向四方更快地遠離！
事實上，在此次分析中，將透過宇宙流專案確認的周圍星系較快的運動應用到原先基於超新星觀測推算的宇宙膨脹率中，驚人地顯示出哈勃張力可以得到相當完美的消除。對周圍星系表現出的一致指向某一方向的本體流運動進行校正後，基於超新星觀測推算的宇宙膨脹率從73km/s/Mpc降低到了69km/s/Mpc。這與僅透過宇宙微波背景輻射推算的宇宙膨脹率幾乎一致！
那麼，我們的銀河系是否真的位於比宇宙平均密度稀疏得多的巨大空洞附近呢？要解釋哈勃張力之謎，我們的銀河系必須處於一個比宇宙平均密度低約20%的空洞附近。但這存在一個問題。在假定暗物質和暗能量的現有宇宙演化標準模型，即ΛCDM模型中，很難形成如此巨大且空曠的空洞。
在ΛCDM模型中，宇宙整體的密度分佈應當幾乎是均勻的。當然，初期密度高的區域會變得更高，密度低的區域會變得更低，從而形成網狀的宇宙大尺度結構骨架，但卻無法重現直徑達1億光年量級的巨大空洞。因此，仍有不少天文學家質疑那種試圖將哈勃張力僅僅解釋為因我們處於巨大空洞附近而產生的“視覺誤差”的嘗試。
然而，在本次論文中，天文學家提出了一個更為大膽的建議。如果應用一種非ΛCDM模型，而是一種引力作用方式稍有不同的替代模型，或許就能解釋哈勃張力之謎。
天文學家為了解釋星系外圍星星運動過快的問題，推測星系記憶體在一種雖然不發光但能貢獻引力的未知物質。這被稱為“暗物質”。暗物質不僅在星系內恆星運動中，而且透過引力透鏡等多種目前的觀測，其存在在一定程度上已被接受。暗物質是一個神秘的概念，它不與光產生任何相互作用，只透過引力顯現其存在。然而，關於暗物質究竟由什麼物質組成，至今一無所知。
因此，一些天文學家試圖用除暗物質以外的方式來解釋星系內恆星過快的運動。其中最典型（也相對最成功）的嘗試是被稱為“修正牛頓動力學（MOND）”的假說。簡單來說，MOND始於這樣一個假設：在距離極其遙遠、引力作用微弱的天文尺度上，引力效果可能比現有的預期要強。相比現有相對論所描述的方式，如果引力在遠距離能更強地發揮作用，那麼即使在星系外圍，恆星也能被更強的引力所束縛。這樣就能解釋為什麼距離星系中心遙遠的外圍恆星也能以足夠快的速度旋轉。
將這種MOND假說應用到宇宙大尺度結構中，會產生有趣的結果。如果引力在遠距離能比現有預期更強，那麼處於四方遙遠距離的宇宙大尺度結構中的高密度區域，就能以更強的引力吸引我們周圍的星系。這樣一來，即使不假設我們的銀河系被包含在巨大的超大空洞內，也能解釋為什麼我們周圍的星系觀測起來像是以相當快的速度向四方被拉扯。
根據本次論文的結果，如果不使用現有方式，而是使用MOND方式應用引力，哈勃張力便能完美消失！也就是說，透過宇宙微波背景輻射推算的宇宙膨脹率與透過星系運動推算的宇宙膨脹率之間的差異完美消失了！至此，我們的宇宙終於成為一個只有一個膨脹率的和平宇宙。
當然，MOND仍然存在一個重要的侷限性，即無法完美克服現有暗物質模型所解釋的各種其他獨立觀測結果。但這項研究意義重大，因為它不僅是在單一星系尺度，而是在整個宇宙規模上應用了MOND，並由此提出瞭解決現代宇宙學尚未解開的巨大難題的可能性，這是一個非常有趣的結果。
MOND假說在天文學界目前仍被視為非主流。但它並未中斷，而是持續地、頑強地被嚴肅討論著。MOND能否最終成為在宇宙學層面上完美解決“哈勃張力”這一謎題的學術界新主流呢？正如複雜交織成網狀的宇宙大尺度結構之結一般，宇宙的秘密仍未解開。
宇宙大尺度結構不僅是一張真實展現我們所處宇宙樣貌的地圖，更可以說是一張蘊含著無數宇宙秘密的藏寶圖。為了那些在每天陰雲密佈、天氣憂鬱的日子裡，也想每天感受雲層之上宇宙大尺度結構的“宇宙極客”讀者們，特此介紹一個特別的專案。
傘撐開的瞬間，難道不就像是時空瞬間展開的大爆炸時刻嗎？就像我們每時每刻都站在半徑490億光年的可觀測圓形宇宙中心一樣，如果站在承載著宇宙的圓形雨傘中心，似乎每時每刻都能感受到屬於我自己的宇宙。因此，我開始了名為“刻有宇宙大尺度結構的專屬可觀測宇宙雨傘”的專案。
將跨越138億年的宇宙大尺度結構形成過程的模擬影象，一針一線地刻在雨傘上，撐開傘的瞬間，屬於我的可觀測宇宙便隨之開啟。希望在雨點滴落的陰雨天裡，您也能成為宇宙的主人公。
參考
https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338
https://academic.oup.com/mnras/article/524/2/1885/7218572
https://academic.oup.com/mnras/article/526/2/3051/7296158
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/775/1/62
筆者 池雄培（Ji Ung-bae）是？熱愛貓咪與宇宙。兒時看過《銀河鐵道999》後，立志要讓人們瞭解宇宙的美麗。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，同時進行講座和寫作等多種科學交流活動。著有《曖昧天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。