王锁宁 · 张彬彬 · Rubén García‑Benito
南京大学 · 安达卢西亚天体物理研究所
发表于 天体物理学报
ApJ 997,121 (2026)
想象一下，你身处宇宙中最空旷的地方。这里没有璀璨的星群，没有拥挤的星系团，这里的星系密度远低于宇宙平均水平，只有少量分散分布的星系，被巨大的黑暗包围。这里被称为宇宙空洞。最近，南京大学张彬彬教授团队联合国内外研究人员，对空洞中的星系里的暂现源样本进行了一次系统性的“人口普查”。他们发现，这些空洞内的暂现源，其平均年龄与宇宙其他地方的同类存在差异。这项研究为我们理解星系的演化和恒星的宿命，打开了一扇全新的窗户。
宇宙的大尺度结构：非均匀的宇宙网
宇宙中的物质并非均匀分布。如果我们绘制一张宇宙地图，会发现星系喜欢扎堆，形成巨大的纤维状结构，像一张无边的蜘蛛网。而被这张“网”围起来的，则是巨大而空旷的区域——宇宙空洞。它们占据了宇宙约70%-80%的体积，但其中包含的质量占比仅约为10%-15%。
宇宙空洞星系（Void Galaxy）是宇宙中的"隐士"。它们中的大多数确实形单影只，或仅与极少数星系松散相伴（如稀疏的双星系或三重星系），所处的局域环境密度较低，邻近天体的扰动相对较弱。正因如此，它们是天然的“实验室”， 为理解星系在物质交换速率极低的环境下如何演化提供了独特窗口。
孤立的演化延迟的星系：空洞星系有何不同？
研究团队利用了斯隆数字巡天（SDSS）的数据，在距离地球约6700万至6.7亿光年的范围内，精确识别出了近2.6万个位于空洞内的星系，并与那些生活在拥挤环境中的“同胞”（约7.9万个）进行对比。
结果发现，空洞星系是一群名副其实的演化缓慢的星系：
更处于演化早期：星系演化慢，每单位恒星质量的恒星形成率（sSFR）是宇宙网上星系的两倍多。
更轻：它们的平均总质量较小，大约是宇宙网上星系的四分之一。
图1: 包含GRB 080121的赤纬切片图，显示了空洞内/外星系与超新星的分布。
空洞中的暂现源：在空洞中的大质量恒星死亡以及双致密星并合
恒星生命终结时的剧烈闪光以及死亡后星骸碰撞的余晖（称之为暂现源，包括超新星、伽马射线暴、快速射电暴等）与其出生时的质量和环境密切相关。那么，这些演化慢的空洞星系，它们孕育的暂现源会呈现出怎样的特点呢？
为了回答这个问题，团队将目光投向了历史上数千个已记录的宇宙爆炸事件。他们将超新星、伽马射线暴（GRB）和快速射电暴（FRB）的坐标与空洞星系的位置进行匹配，最终得出了一个引人入胜的结论：
1. 大质量恒星死亡的比例：空洞星系中，核心坍缩超新星占所有超新星事件的比例高达57%，远高于高密度区域的40%。这表明，空洞星系中超新星事件的类型构成与高密度区域存在显著差异——核心坍缩型所占比例更高，反映出空洞星系现有恒星族群中，大质量恒星所占的份额更大。
2. Ia型超新星的占比偏低：在空洞星系中，这类由年老恒星引发的爆炸事件明显少于高密度区域。这与空洞星系整体演化节奏慢、历史上积累的恒星数量较少是一致的。
3. 唯一的的伽马射线暴：研究团队还发现了一例位于空洞内的短伽马射线暴（GRB 080121）。这种爆发通常被认为是由双中子星/中子星-黑洞碰撞合并引发的，也是产生引力波信号的重要天文来源。它的出现表明，即使在这样荒凉的“孤岛”上，也能上演宇宙中最剧烈的合并事件。
4. 暂时无法确定的快速射电暴：与之形成鲜明对比的是，在本次调查覆盖的宇宙体积内，定位到的三个快速射电暴无一落入宇宙空洞。是否因为我们观测到的样本还不够多？这为未来的研究留下了悬念。
图2: 超新星宿主星系的形态分布图。空洞内的超新星（橙色）更偏爱晚型星系，而空洞外的超新星（蓝色）则在早型星系中比例更高。
科学启示：环境如何左右宇宙万物？
这项研究首次系统地描绘了宇宙最荒凉角落里的恒星“死亡图谱”。它告诉我们，星系的生死不仅取决于其自身的演化，更大尺度的宇宙环境也在其中扮演着重要角色。
宇宙空洞就像一个演化放缓的环境，因此，空洞星系中超新星事件的类型构成呈现出独特的分布：核心坍缩型所占的比例更高，而Ia型超新星的比例相对较低。这并非因为空洞星系恒星形成更活跃——实际上其整体恒星形成事件率低于高密度区域——而是因为空洞星系演化节奏缓慢，历史上形成的恒星总量较少，因此，需要漫长演化才出现的Ia型超新星，其“原材料”（中小质量恒星）的历史积累在空洞星系内的比例也相应更少。
未来，随着更强大的望远镜（如中国空间站工程巡天望远镜CSST）投入使用，科学家们有望捕获更多来自空洞深处的微弱爆炸。届时，我们对星系演化、恒星命运乃至宇宙结构的理解，都将迈入一个全新的时代。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae21e3
本研究得到以下项目资助：国家重点研发计划、国家 SKA 计划，国家自然科学基金，中国载人航天工程科学研究基金，中央高校基本科研业务费以及江苏省创新创业人才计划。Rubén García‑Benito 得到西班牙Severo Ochoa 卓越中心计划项目资助。