|
撰文 | 不周 審校 | clefable 2021年，亞歷克西婭·M.洛佩斯（Alexia M. Lopez）正在英國中央蘭開夏大學(xué)（University of Central Lancashire）攻讀研究生學(xué)位。當(dāng)洛佩斯將目光投向93億光年外的牧夫座時，她驚訝地發(fā)現(xiàn)，一個由45~50個氣體云組成的星團，似乎在宇宙空間中排列成一條近乎對稱的巨大新月形結(jié)構(gòu)——巨弧（Giant Arc）。作為對比，目前可觀測的宇宙寬約940億光年，而這條巨弧在宇宙空間中橫跨33億光年，幾乎有可觀測宇宙半徑的1/15之多。 對于洛佩斯而言，這樣大尺度的巨弧幾乎可以稱得上“超現(xiàn)實”，它的存在似乎違背了宇宙應(yīng)該是各向同性的宇宙學(xué)原理。“我不得不掐自己一下，這是一個意外的發(fā)現(xiàn)，我根本不敢相信這個觀測結(jié)果，”在接受BBC采訪時，她感嘆道。洛佩斯在2021年6月的美國天文學(xué)會議上介紹了巨弧的發(fā)現(xiàn)，并于2022年10月將這項結(jié)果發(fā)表在了《英國天文學(xué)會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。而洛佩斯與這種奇特結(jié)構(gòu)的緣分卻并沒有止步于此。 今年1月，在美國天文學(xué)會（AAS）舉辦的第243界會議上，洛佩斯再次報告了一個大尺度結(jié)構(gòu)——巨環(huán)（Big Ring），它與此前發(fā)現(xiàn)的巨弧距離相對較近，均位于牧夫座附近。巨環(huán)的直徑大約有13億光年，倘若我們能在地球上用肉眼看到，其大小大概會是夜空中滿月大小的15倍?？瓷先ィ@個環(huán)是一個幾乎完美的圓，但根據(jù)洛佩斯的分析，它更像是一個螺旋線圈，只不過圈孔正對向地球。盡管和巨弧相比，巨環(huán)的直徑小了許多，但其周長卻與巨弧相當(dāng)。
圖片來源：Stellarium/University of Central Lancashire/PA 然而，這些壯觀的大尺度結(jié)構(gòu)（large scale structure）不僅僅是在尺寸上大得引人注目，更關(guān)鍵的是，它們的存在仿佛在向天文學(xué)家發(fā)起挑戰(zhàn)：宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型或許需要被重寫或修正。 宇宙是均勻的……嗎？ 如果從足夠大的尺度上觀察整個宇宙，通常會認為物質(zhì)和時空的分布是均勻且各向同性的，也可以說，宇宙是光滑平坦的。這樣的描述被稱為宇宙學(xué)原理，它和愛因斯坦的廣義相對論共同構(gòu)成了宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論框架基礎(chǔ)。其中均勻、各向同性意味著，不管我們位于宇宙中的哪一處，從任意方向觀測宇宙，看起來都應(yīng)該是一樣的。 盡管宇宙學(xué)原理描述宇宙是均勻的，但如果觀測宇宙時，像變焦鏡頭那樣“聚焦”而后漸漸“拉遠”，我們會看到多顆行星圍繞著一顆恒星運轉(zhuǎn)，億萬顆恒星組成了一個星系，成千上萬的星系構(gòu)成了星系團，星系團又組成了超星系團。這些星系彼此靠近，在大尺度上形成絲狀物，穿梭在廣袤的宇宙空間中，彼此交織相連，構(gòu)成了一個布滿星際空間的3D宇宙網(wǎng)。絲狀物自然是物質(zhì)聚集之處，而除此之外的，則是物質(zhì)密度極低的空洞區(qū)域。如此看來，宇宙還算是均勻的嗎？
圖片來源：NASA 準(zhǔn)確來說，是否均勻要取決于觀測尺度。如果將宇宙比作海洋，從近處（相對而言）看海面會是波濤洶涌，從遠處看卻是平滑如鏡。而在大尺度上，宇宙網(wǎng)中的物質(zhì)分布的確是均勻的。但在相對較小的尺度上，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)本身就表明了物質(zhì)的不均勻分布。事實上，宇宙網(wǎng)這樣的大尺度結(jié)構(gòu)正是令科學(xué)家費解的源頭——物質(zhì)分布的不均勻究竟源自何處？宇宙又是如何演化成如今我們觀測到的樣貌？ 為此，天文學(xué)家一直在試圖更精準(zhǔn)地測量宇宙中的眾多天體，不管是恒星、星系還是遙遠的星系團，希望能借此創(chuàng)建精確的宇宙地圖，以此加深對宇宙的理解。斯隆數(shù)字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）便是因此而誕生的項目，而洛佩斯正是在SDSS過往數(shù)據(jù)中觀察類星體的吸收線時，發(fā)現(xiàn)了這些不合理的結(jié)構(gòu)。 洛佩斯發(fā)現(xiàn)的“巨弧”和“巨環(huán)”，就像是平滑表面上出現(xiàn)了一些顯眼的“疙瘩”。這兩個結(jié)構(gòu)靠得如此近，甚至可以把它們合并看成一個超大型結(jié)構(gòu)，“問題是，如何才能形成這樣大型的結(jié)構(gòu)？”英國華威大學(xué)物理系教授唐·波拉科（Don Pollacco）說道。很難具體地想象這種結(jié)構(gòu)形成的機制，但這一定與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程有關(guān)。 根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，宇宙開始膨脹時，物質(zhì)密度微小的擾動導(dǎo)致部分區(qū)域的物質(zhì)聚集，經(jīng)過數(shù)十億年的演化，引力最終導(dǎo)致這些團塊凝聚成了恒星和星系，最終形成了我們觀測到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。英國牛津大學(xué)的理論物理學(xué)教授蘇比爾·薩卡 (Subir Sarkar)表示，但這一過程需要足夠長的時間。宇宙的年齡有限，因此在理論上并不足以形成直徑超過12億光年的物體。那么，尺度超過30億光年的巨弧和巨環(huán)的形成過程究竟要如何解釋，或許還需要更進一步的探討。 充斥著龐然巨物 不過，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的大尺度結(jié)構(gòu)并非只有洛佩斯的“弧”和“環(huán)”。事實上，早在1989年，兩位天文便在宇宙中觀測到了一座星系“長城”，被稱為CfA2巨壁（CfA2 Great Wall）。這堵星系聚集而成的墻，長約5億光年，寬約3億光年，厚約1500萬光年。此后，2003年，又有天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更長的星系墻——斯隆巨壁（Sloan Great Wall），長約15億光年。 而在過去的十年里，隨著天文觀測技術(shù)的飛速發(fā)展，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些龐然巨物的速度也在不斷提升。2016年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了跨度長達10億光年的BOSS巨壁（BOSS Great Wall），它由830個獨立星系組成。不過，目前最大的大尺度結(jié)構(gòu)還要數(shù)2013年被發(fā)現(xiàn)的武仙-北冕座巨壁（Hercules-Corona Borealis Great Wall），它的跨度達到了100億光年，已超過可觀測宇宙大小的十分之一。
這些龐然巨物可以說是宇宙中尺度最大、質(zhì)量最重的結(jié)構(gòu)。它們多數(shù)超出了理論上“可能形成”的尺度限制，也逼迫著標(biāo)準(zhǔn)模型不斷修正。（這一過程時有發(fā)生，比如上世紀有兩次修正，一次引入了暗物質(zhì)，另一次引入了暗能量。）事實上，在早些年發(fā)現(xiàn)存在斯隆巨壁這樣的大尺度結(jié)構(gòu)后，天文學(xué)家預(yù)測，未來更深入的星系調(diào)查，會讓我們見到更多類似的結(jié)構(gòu)，比如巨弧和巨環(huán)。 不過，也有科學(xué)家對洛佩斯的研究提出質(zhì)疑。我們在仰望天空觀賞云的多種形態(tài)時，可以從中看出“A、b”字母形狀，甚至還有各種動物，這是因為我們非常善于從隨機的物體中提煉出一個模式，但這并不是真正的結(jié)構(gòu)。所謂星系團排列成“弧形”或“環(huán)形”，是否只是天體偶然的排列呢？在2021年巨弧這項研究中，洛佩斯進行了一系列統(tǒng)計測試，證明其結(jié)果的置信度為99.9997%。薩卡表示，在這種情況下，可以認為這是一條真正的超星系團鏈條。新發(fā)布的巨環(huán)研究目前仍未經(jīng)同行評審，或許還需要進一步驗證。 論文鏈接： https://academic./mnras/article/516/2/1557/6657809#371685760 https:///abs/2402.07591 參考鏈接： https://www./news/big-ring-in-the-sky https://www./news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assumptions-about-the-universe http://astronomy./cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics https://www./future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos https://www./future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml |
|
|
