从一张本星系群速度图说起
1980年代,Tully与Fisher用星系红移和距离资料绘制近邻宇宙三维结构时,本星系群一侧出现了一个显眼的低星系密度区。2008年Tully等把本地群相对宇宙微波背景的本动速度与这个低密度区联系起来,给出约260 km/s的“远离空洞”分量。这里要处理的判断是:本地空洞不是宇宙网里的边角料,而是约束星系形成和本地运动学的观测对象;但把它当作哈勃常数危机的万能解释,证据不足。
什么是本地空洞
按可见星系计数,本地空洞是邻近本星系群、尺度在数十Mpc量级的低密度区域;本星系群位于其边缘而非中心。它的“空”是相对宇宙平均星系密度而言,不等于绝对无物质:暗物质、星系际气体和少量矮星系仍可能存在。证据等级上,低星系数密度属于直接观测;三维边界和密度剖面依赖巡天样本与距离误差,属于间接推断;它对本地群速度的定量贡献则是模型依赖的理论自洽要求。不同研究给出的半径和密度对比并不一致,因为空洞边界没有唯一数学定义。
科学家如何知道
红移巡天能给出星系角位置和红移,但红移混有本动速度,需用造父变星、塔利-费舍尔关系、超新星等距离指标独立测距。距离误差会系统性改变空洞形状,Malmquist偏倚又会漏掉暗弱星系,所以“空”的程度和范围必须和选择函数一起报告。Cosmicflows等速度场重建进一步把星系本动速度拟合成引力场,但重建结果对样本完备性和宇宙学模型敏感。直接看到的是星系分布;推断出来的是质量分布;再往前一步,才是动力学解释。
争议焦点
- 一方认为,该空洞的排斥效应是本地群约260 km/s本动速度的重要来源,忽略它会误读本动速度与质量分布的关系(Tully et al. 2008;后续Cosmicflows重建)。
- 另一方强调,速度场重构对距离误差和样本边界敏感,局部空洞的贡献难以与其他大尺度结构分离;把H0本地测量与CMB推断的差异归因于该空洞,属于过度外推。Planck 2018给出H0≈67.4±0.5 km/s/Mpc,SH0ES 2022给出约73.0±1.0 km/s/Mpc,差距虽真实,却不能用单个近邻空洞轻易消解。
这里的证据分级很清楚:这一低密度区存在且本地群在其边缘,是直接观测支持的事实;它贡献一部分本动速度,是主流但存争议的间接推断;它能解释哈勃张力,目前只是少数派假说,且受宇宙微波背景和大尺度结构约束。
历史纵深与当前边界
“空洞”概念在1981年Boötes空洞之后进入主流,但本地空洞的图景经历了从“巨大空腔”到“带子结构的低密度区”的修正:更深巡天在所谓空区里找到矮星系和纤维状结构,说明空洞不是绝对真空。已知的是,本地空洞确实存在于近邻宇宙,并影响本地群运动;卡住的是,它的精确三维形状、质量密度剖面和对H0的定量影响仍未收敛。下一步需要更大天区的深度红移巡天与独立距离测量,把选择函数和误差预算压到足以区分不同速度场模型的水平。科学上真正困难的不是承认空白存在,而是证明这片空白究竟改变了什么。
关键数据
- 本星系群远离该空洞的本动速度分量:约260 km/s(Tully et al. 2008,模型依赖)。
- 该空洞尺度:数十Mpc量级,边界随样本和定义变化(间接推断)。
- H0:Planck 2018为67.4±0.5;SH0ES 2022为73.0±1.0 km/s/Mpc(直接测量与模型推断的系统差异)。
参考文献
- Tully, R. B., Shaya, E. J., Karachentsev, I. D., et al. 2008, ApJ, 676, 184.
- Keenan, R. C., Barger, A. J., & Cowie, L. L. 2013, ApJ, 775, 62.
- Planck Collaboration 2020, A&A, 641, A6.
- Riess, A. G., et al. 2022, ApJL, 934, L7.
- Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y., & Pomarède, D. 2014, Nature, 513, 71.