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在宇宙中,发现了本不应存在的巨型结构
2024/4/10 9:54:57 | 浏览:307 | 评论:0

在宇宙中,发现了本不应存在的巨型结构

从非常大的尺度来看,宇宙是由物质簇交织而成的网状结构,中间穿插着巨大的空洞。
图片来源:Volker Springel/Max Planck Institute For Astrophysics/SPL


2021年,亚历克西娅·M.洛佩斯(Alexia M. Lopez)正在英国中央兰开夏大学(University of Central Lancashire)攻读研究生学位。当洛佩斯将目光投向93亿光年外的牧夫座时,她惊讶地发现,一个由45~50个气体云组成的星团,似乎在宇宙空间中排列成一条近乎对称的巨大新月形结构——巨弧(Giant Arc)。作为对比,目前可观测的宇宙宽约940亿光年,而这条巨弧在宇宙空间中横跨33亿光年,几乎有可观测宇宙半径的1/15之多。


对于洛佩斯而言,这样大尺度的巨弧几乎可以称得上“超现实”,它的存在似乎违背了宇宙应该是各向同性的宇宙学原理。“我不得不掐自己一下,这是一个意外的发现,我根本不敢相信这个观测结果,”在接受BBC采访时,她感叹道。洛佩斯在2021年6月的美国天文学会议上介绍了巨弧的发现,并于2022年10月将这项结果发表在了《英国天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上。而洛佩斯与这种奇特结构的缘分却并没有止步于此。


今年1月,在美国天文学会(AAS)举办的第243界会议上,洛佩斯再次报告了一个大尺度结构——巨环(Big Ring),它与此前发现的巨弧距离相对较近,均位于牧夫座附近。巨环的直径大约有13亿光年,倘若我们能在地球上用肉眼看到,其大小大概会是夜空中满月大小的15倍。看上去,这个环是一个几乎完美的圆,但根据洛佩斯的分析,它更像是一个螺旋线圈,只不过圈孔正对向地球。尽管和巨弧相比,巨环的直径小了许多,但其周长却与巨弧相当。


在宇宙中,发现了本不应存在的巨型结构

艺术概念图:如果能在地球上看到巨弧和巨环,它们在天空中的大致分布。

图片来源:Stellarium/University of Central Lancashire/PA


然而,这些壮观的大尺度结构(large scale structure)不仅仅是在尺寸上大得引人注目,更关键的是,它们的存在仿佛在向天文学家发起挑战:宇宙学标准模型或许需要被重写或修正。


宇宙是均匀的……吗?


如果从足够大的尺度上观察整个宇宙,通常会认为物质和时空的分布是均匀且各向同性的,也可以说,宇宙是光滑平坦的。这样的描述被称为宇宙学原理,它和爱因斯坦的广义相对论共同构成了宇宙学标准模型的理论框架基础。其中均匀、各向同性意味着,不管我们位于宇宙中的哪一处,从任意方向观测宇宙,看起来都应该是一样的。


尽管宇宙学原理描述宇宙是均匀的,但如果观测宇宙时,像变焦镜头那样“聚焦”而后渐渐“拉远”,我们会看到多颗行星围绕着一颗恒星运转,亿万颗恒星组成了一个星系,成千上万的星系构成了星系团,星系团又组成了超星系团。这些星系彼此靠近,在大尺度上形成丝状物,穿梭在广袤的宇宙空间中,彼此交织相连,构成了一个布满星际空间的3D宇宙网。丝状物自然是物质聚集之处,而除此之外的,则是物质密度极低的空洞区域。如此看来,宇宙还算是均匀的吗?

在宇宙中,发现了本不应存在的巨型结构

宇宙网艺术概念图。
图片来源:NASA


准确来说,是否均匀要取决于观测尺度。如果将宇宙比作海洋,从近处(相对而言)看海面会是波涛汹涌,从远处看却是平滑如镜。而在大尺度上,宇宙网中的物质分布的确是均匀的。但在相对较小的尺度上,网状结构本身就表明了物质的不均匀分布。事实上,宇宙网这样的大尺度结构正是令科学家费解的源头——物质分布的不均匀究竟源自何处?宇宙又是如何演化成如今我们观测到的样貌?


为此,天文学家一直在试图更精准地测量宇宙中的众多天体,不管是恒星、星系还是遥远的星系团,希望能借此创建精确的宇宙地图,以此加深对宇宙的理解。斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)便是因此而诞生的项目,而洛佩斯正是在SDSS过往数据中观察类星体的吸收线时,发现了这些不合理的结构。


洛佩斯发现的“巨弧”和“巨环”,就像是平滑表面上出现了一些显眼的“疙瘩”。这两个结构靠得如此近,甚至可以把它们合并看成一个超大型结构,“问题是,如何才能形成这样大型的结构?”英国华威大学物理系教授唐·波拉科(Don Pollacco)说道。很难具体地想象这种结构形成的机制,但这一定与宇宙大尺度结构的形成过程有关。


根据宇宙学标准模型,宇宙开始膨胀时,物质密度微小的扰动导致部分区域的物质聚集,经过数十亿年的演化,引力最终导致这些团块凝聚成了恒星和星系,最终形成了我们观测到的宇宙大尺度结构。英国牛津大学的理论物理学教授苏比尔·萨卡(Subir Sarkar)表示,但这一过程需要足够长的时间。宇宙的年龄有限,因此在理论上并不足以形成直径超过12亿光年的物体。那么,尺度超过30亿光年的巨弧和巨环的形成过程究竟要如何解释,或许还需要更进一步的探讨。


充斥着庞然巨物


不过,天文学家发现的大尺度结构并非只有洛佩斯的“弧”和“环”。事实上,早在1989年,两位天文便在宇宙中观测到了一座星系“长城”,被称为CfA2巨壁(CfA2 Great Wall)。这堵星系聚集而成的墙,长约5亿光年,宽约3亿光年,厚约1500万光年。此后,2003年,又有天文学家发现了更长的星系墙——斯隆巨壁(Sloan Great Wall),长约15亿光年。


而在过去的十年里,随着天文观测技术的飞速发展,天文学家发现这些庞然巨物的速度也在不断提升。2016年,天文学家发现了跨度长达10亿光年的BOSS巨壁(BOSS Great Wall),它由830个独立星系组成。不过,目前最大的大尺度结构还要数2013年被发现的武仙-北冕座巨壁(Hercules-Corona Borealis Great Wall),它的跨度达到了100亿光年,已超过可观测宇宙大小的十分之一。


在宇宙中,发现了本不应存在的巨型结构

图片来源:Wikipedia


这些庞然巨物可以说是宇宙中尺度最大、质量最重的结构。它们多数超出了理论上“可能形成”的尺度限制,也逼迫着标准模型不断修正。(这一过程时有发生,比如上世纪有两次修正,一次引入了暗物质,另一次引入了暗能量。)事实上,在早些年发现存在斯隆巨壁这样的大尺度结构后,天文学家预测,未来更深入的星系调查,会让我们见到更多类似的结构,比如巨弧和巨环。


质疑。我们在仰望天空观赏云的多种形态时,可以从中看出“A、b”字母形状,甚至还有各种动物,这是因为我们非常善于从随机的物体中提炼出一个模式,但这并不是真正的结构。所谓星系团排列成“弧形”或“环形”,是否只是天体偶然的排列呢?在2021年巨弧这项研究中,洛佩斯进行了一系列统计测试,证明其结果的置信度为99.9997%。萨卡表示,在这种情况下,可以认为这是一条真正的超星系团链条。新发布的巨环研究目前仍未经同行评审,或许还需要进一步验证。


论文链接:

https://academic.oup.com/mnras/article/516/2/1557/6657809#371685760

https://arxiv.org/abs/2402.07591

参考链接:

https://www.uclan.ac.uk/news/big-ring-in-the-sky

https://www.uclan.ac.uk/news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assumptions-about-the-universe

http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics

https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml




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