星系都市旁的空曠郊區
" 太空 " 其實是對宇宙空間的一個很恰當的稱呼，畢竟那裡基本啥也沒有。我們這裡與月球相隔大約 38 萬千米，在這之間，基本上什麼也沒有——最多是一些氫原子、氦原子以及其他的塵埃粒子等。在更大的范圍裡，這種 " 空無一物 " 變得難以置信的巨大。例如，銀河系與仙女座星系相隔約 250 萬光年，它們之間是一片荒涼之地，基本沒有幾顆恒星。
然而，在可觀測宇宙范圍內，銀河系和仙女座星系其實是近鄰。就像鄰裡之間可以隔著窗戶看見彼此一樣，我們也可用肉眼看見仙女座星系。宇宙中絕大多數的星系都喜歡聚集在一起。它們聚集成社區、城鎮以及都市，對應的天文學術語分別叫做星系群（星系數量在 50 個左右或更少）、星系團（星系數量可達成百上千個）以及超星系團（由多個星系群和星系團構成）。宇宙中超星系團、星系團以及星系群一起，可以組成一種超大的纖維狀的結構，這是目前已知的最大結構。我們的銀河系坐落於本星系群中。本星系群直徑大約有 1000 萬光年，包含 50 多個星系。而本星系群又屬於范圍更大的室女座超星系團，也叫做本超星系團。
與這些星系都市相反，剩餘的空曠郊區則被稱為宇宙空洞。例如，在距離地球大約 7 億光年的直徑約 2.5 億光年的牧夫座空洞那裡，隻有幾十個小星系點綴在其中。如果它不是空洞而是星系團的一部分，那麼那裡至少得有 1 萬個星系。
最近幾十年，天文學傢才明白，宇宙中最為普遍的地方是這些空洞，而不是那些星系都市。空洞大約占據瞭宇宙空間的 60% 以上。現在，空洞正成為天體物理學中的重要研究對象之一。因為它們幾乎空無一物，成為瞭測試宇宙各種現象的獨特的實驗室。可以說，空洞裡充滿著答案。
紡織出宇宙網
20 世紀 70 年代末，天文學傢開始研究宇宙三維結構的時候，發現瞭空洞的身影。
天文學傢依賴於檢測星系的紅移，來估計它們在宇宙中的位置：一個星系離我們越遠，發出的光線會因宇宙膨脹拉伸得越長，光譜的譜線就會越靠近紅色的一端。一些星系在太空中勾畫出瞭一個巨大的空心口袋。於是，在 1981 年，天文學傢發現瞭一個很大的空洞——牧夫座空洞。6 年後，天文學傢發現瞭本空洞——一個與本星系群相鄰的空洞。
空洞的發現顛覆瞭一個普遍接受的觀點——宇宙中的物質是均勻分佈的。現在，我們瞭解到，宇宙類似於瑞士奶酪或肥皂泡沫，在巨大的空洞之間，聚集著數不盡的星系。
天文學傢把這種結構稱之為 " 宇宙網 "，並認為這種結構是早期宇宙中原始物質漲落所演化出來的。宇宙早期，暗物質——這種神秘的、看不見的物質，被認為占瞭宇宙物質總量的 85% 左右——集結成群，用引力牽引著普通物質。隨著宇宙的膨脹，這些物質分佈較密集的區域最終變成瞭星系群、星系團，留下物質分佈較稀疏的區域變得更空，最終變為瞭空洞。
空洞在排斥著物質
多年來，科學傢研究的重點始終是宇宙網中的發光部分，沒有人關心空洞。
在過去的 20 年中，天文學傢們發現，空洞不僅僅是空無一物的被動的地方。空洞會隨時間變化，還能驅使星系聚集成纖維狀結構。所以說，要想瞭解宇宙的演變，我們需要瞭解空洞。
2000 年開始的斯隆數字巡天項目——一個使用美國新墨西哥州阿帕契點天文臺的 2.5 米口徑望遠鏡進行的紅移巡天項目——大大幫助瞭我們對空洞的理解。斯隆以及其他新出的紅移巡天項目，已經發現瞭成千上萬個空洞。
總體來說，在當前的宇宙中，這些空洞通常是橢圓形，跨度在 5000 萬到 1.5 億光年之間。但在幾十億年前，空洞更小。這表明空洞正不斷變大，有時應該還會發生合並。另外，模擬和觀測顯示，空洞也正變得越來越空。畢竟，低密度區域引力作用弱，而周圍高密度區域引力作用強，於是，物質就不斷地被吸引到高密度區域。所以從某種程度上來說，空洞具有排斥效應，趕跑物質，使得自己越來越空。
就拿我們所在的本星系群來說吧，銀河系，連同我們的星系鄰居，正以每秒 600 多千米的速度接近巨引源——一個相當於數萬個銀河系質量的引力中心，距離我們有 1.5 億至 2.5 億光年，位於本超星系團中心附近。而天文學傢根據附近星系的運動，分析瞭本空洞的排斥效應。結果表明，使本星系群飛快移動的力量，大約有 40% 是本空洞的排斥效應貢獻的。這表明，空洞對宇宙大尺度結構有著很重要的影響。
躲在空洞裡的變色龍
空洞的重要性遠不隻這些。20 世紀 90 年代，天文學傢們註意到宇宙大約在 50 億年前開始加速膨脹。現在，還沒有什麼好的理論可以解釋宇宙為何要加速膨脹。
天文學傢們提出瞭幾種解釋。一種解釋是認為我們當前的引力理論是正確的，就是愛因斯坦的廣義相對論所描述的那樣，但是空間本身還有一種具有排斥作用的能量。這就是所謂的暗能量。
另一種解釋是，廣義相對論在大尺度下並不準確。廣義相對論可以很好地應用在小范圍內，例如太陽系中行星的運動，但是在宇宙更大的尺度下，引力可能是不同的。也就是說，我們需要修改引力理論。
與星系群等區域相比，空洞那裡的引力比較弱，那裡應該能感覺到更多的暗能量效應，或另一種不同形式的引力。所以，天文學傢希望通過分析空洞的大小、位置、質量以及質量分佈情況，找出一些線索。尤其是希望能搞清楚空洞排斥物質到底有多快，然後再分析哪個理論與觀測最為貼切。
除此之外，一些科學傢還提出瞭第三種解釋，認為除瞭引力、電磁力、強核力和弱核力以外，宇宙中可能還有著一種新的未知的基本力，即第五種力，在發揮著加速宇宙的作用。其中最受歡迎的候選者，則是一種像變色龍一樣的力。這種力會在物質密度較高的地方隱藏自己，在物質密度較低的地方顯現出來，就像可隱藏自己的變色龍一樣。很顯然，空洞那裡的物質很少，是尋找這種力的絕佳場地。
就理論而言，目前暗能量模型仍是最好的解釋。也許在將來，隨著我們對空洞的理解，後兩者中的一個可能會勝出。
空洞中的隱士
盡管空洞中有著關於宇宙結構和基本力的答案，但研究空洞更有助於解決星系形成的問題。空洞中的星系（空洞星系）是罕見的，在很長一段時間裡，天文學傢對它們幾乎一無所知。
傳統觀點認為，星系通常是通過合並而不斷變大的：矮星系合並成中等星系，中等星系合並成大星系。例如，在 30-40 億年之後，我們的銀河系就會與仙女座星系合並成一個更大的星系。
然而，空洞中的星系基本上沒有與其他星系合並的機會，它們是在幾乎完全孤立的環境下向前演化的，可謂星系中的活化石。這一特殊之處，使得空洞星系成瞭間接瞭解宇宙最早一批星系的絕佳場所。
目前為止，最富有成效的努力是荷蘭格羅寧根大學發起的調查研究，名為 " 空洞星系調查 "。那裡的天文學傢利用斯隆數字巡天項目的數據，找到瞭 60 多個孤立的空洞星系。然後借助太空和地面上的天文望遠鏡進一步觀察這些 " 隱士 " 星系，分析它們的形狀、恒星的生成率以及其他屬性。
基於這些星系，天文學傢發現空洞中的星系與 " 都市 " 中的星系似乎沒什麼不同。當然，正如所料想到的，空洞星系比較小。然而，它們仍然充滿活力。平均來說，在可見光波段，空洞星系看上去比 " 都市 " 中的星系更藍，而能發出藍光的恒星通常都是大質量恒星。大質量恒星的壽命都不太長，那麼它們應該是最近形成的。這說明，許多空洞星系擁有充足的星際氣體供應，可以產生新的恒星，甚至比 " 都市 " 中的星系更高產。
空洞星系與 " 都市 " 中的星系很相似，說明傳統的模型，即小星系通過不斷合並變為大星系，可能並不是星系演化的全部內容。也許，一些或大多數的星系可能隻是隨著時間的推移，不斷地從周圍環境中吸積星際氣體而變大的。如果我們能在空洞中找到星際氣體的話，那麼就可以為這種觀點提供一些證據。
根據當前天文學傢的估計，宇宙將會繼續加速膨脹下去。空洞會膨脹得更大，最終會占據宇宙幾乎所有的空間。遙遠的星系會跑到可觀測宇宙的范圍之外，隨之帶走的則是宇宙的演化故事。而我們所在的本星系團最終要麼都合並在一起，要麼四分五裂，被虛無所統治。如果在億萬年後，人類或其後裔仍存在的話，那麼他們所能看見的宇宙空間將不僅僅是太空瞭，同時還是真正的空洞。
