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天文学家揭开宇宙微波背景辐射冷斑点之谜

冷斑点位于南半球银河系的波江座中。上图为 Szapudi 小组使用 PS1 和 WISE 数据以及普朗克卫星获得的宇宙微波背景辐射温度数据所合成的天区图，显示出了不同寻常的斑点。白色圆圈中为冷斑点和超级空洞排列形成的 30 度角直径。

　　2004 年，天文学家在研究大爆炸剩余辐射（宇宙微波背景辐射，CMB）图时，发现了冷斑点。这是天空中一个异常大而寒冷的区域。大爆炸物理学预测，在早期宇宙中存在或大或小的“冷斑点”和“热斑点”，但这个斑点的范围和温度实在是出乎意料。

　　目前，由夏威夷大学天文学家 István Szapudi 所带领的研究小组可能已经发现了冷斑点存在的原因。Szapudi 说，这可能是“人类发现的最大的个体结构”。

　　如果冷斑点起源于大爆炸，这可能是标准宇宙学（大爆炸理论和相关物理学）所无法解释的一个罕见现象。然而，假设它是由地球和 CMB 之间的某个前景结构产生的，这表明在宇宙质量分布中存在着极其罕见的大尺度结构。

　　通过分析夏威夷毛伊岛的 Pan-STARRS 1 望远镜（PS1）以及 NASA 宽视场红外巡天探测器（WISE）卫星所获得的数据，Szapudi 的小组发现了一个直径达 18 亿光年的“超级空洞”，这里的星系密度比已知的宇宙其他地方低得多。天文学家通过组合 PS1 的光学观测结果与 WISE 的红外观测结果，估算了该天区每个星系的距离和位置，从而发现了这一区域。

　　早期研究中，天文学家曾在冷斑点的方向观测到一个小得多的区域，但他们只能推测那里不存在特别遥远的结构。奇怪的是，为了看到更近的结构，必须映射更大的天区。因此，寻找邻近的大尺度结构要比确定遥远的大尺度结构更加困难。由匈牙利罗兰大学天文学家安德拉·科瓦奇创建的大型三维天区图为这项研究提供了不可或缺的帮助。这个超级空洞距离地球只有约 30 亿光年。在宇宙尺度中，这算是相对较短的距离了。

　　想象一下，在你（观测者）与 CMB 之间存在一个巨大的空洞。将这个空洞当成一座小山，当光穿过空洞时就像爬山。如果宇宙没有在加速膨胀，山的底面积不会明显扩大。根据能量守恒定律，光在离开时会重新获得因为爬山而损失的能量。但由于存在加速膨胀，随着光的“攀爬”，山的坡度变缓了，光在“下山”时无法获得所有失去的能量。因此，光在离开空洞时损失了能量，波长增加，在观测结果中表现为较低的温度。

　　即使是速度最快的光，穿过一个超级空洞也可能需要几百万年的时间，因此这种被称为“完全萨克斯-沃尔夫效应”（ISW）的可测量的效应或许能够为这一现象提供一种解释。第一个发现这种现象的是美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星。最近一次是由欧洲航天局的普朗克卫星发现的。

　　超级空洞的存在及其在 CMB 中的效应并不能完全解释冷斑点的成因，然而，超级空洞和冷斑点位于同一区域不可能是巧合。研究小组将使用 PS1 和“暗能量巡天”项目在智利的一个望远镜所获得的数据研究冷斑点和超级空洞，以及靠近天龙座的另一个大的空洞。

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