宇宙边界现身波江座?你想多了

科技日报2018-11-29 11:54

计算机模拟的宇宙大尺度结构

近日,一则科学家发现了宇宙墙的“新闻”在网上流传。照其说法,意大利的科学家在离地球100亿光年之外的波江座里,发现了一条横跨35亿光年的真空带,也就是所谓的宇宙墙。

随后,中国科学院国家天文台辟谣称,上述“新闻”塞进了大量误解和臆想的内容。而所谓的“宇宙墙”实际上是宇宙大尺度结构。

那么,什么是宇宙大尺度结构?为什么人们会误以为它是宇宙的边界?

实际是遍布宇宙的“大网”

“宇宙大尺度结构其实就是由星系组成的。”中国科学院国家天文台研究员苟利军告诉科技日报记者,大尺度结构在宇宙中很普遍。“我们可以把大尺度结构想象成一张网,但与平面的网状结构不同,大尺度结构是三维的不规则网络。”

中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受科技日报记者采访时表示,大尺度结构中存在星系、暗物质、暗能量等。

陈学雷说:“我们原以为宇宙的物质分布是均匀的,但实际上并不均匀——有的地方物质密集,有的地方稀疏。大尺度结构描述的正是宇宙的不均匀状态。”

按照万有引力定律,密度高的地方引力作用更强,会把周围物质吸引过去。密度小的地方引力较小,其中的物质容易被周围密度高的地方吸走。如同马太效应,在万有引力作用的过程中,密的地方会越来越密,稀的地方越来越稀。“星系、暗物质、暗能量密集的地方形成了类似纤维的结构;反之,稀疏的地方形成了空洞,几乎没什么物质存在。”陈学雷告诉记者。

如果把宇宙中的物质看作一个一个孤立的点,受到密度扰动之后,孤立的点聚在一起就成了一条条线,点几乎都被吸走的地方就成了空洞。“空洞和纤维结构统称为宇宙的大尺度结构。”据陈学雷介绍,我们所处的银河系就位于大尺度结构中的纤维部分。

需要注意的是,大尺度结构是从宏观角度观测宇宙时用到的概念,并不是说宇宙中真的存在线条。“比如我们用肉眼观测叶子脉络时,看到的是线条,但用显微镜观察这些脉络时,会发现它们实际上是由细胞组成。只有从宏观角度讲,才有线条之说。”苟利军强调。

而所谓的“宇宙墙”说法其实源于人们的误解。最初,大尺度结构被戏称为great wall,译作星系长城或星系之墙。陈学雷谈道:“天文学家把大尺度结构称作great wall,意在突出它的形状像城墙般蜿蜒,而非指实体意义上厚实的城墙,更不是指大尺度结构起隔离作用。如果当初大尺度结构被描述为长藤或长蛇,也许我们会有另一番理解和想象。”

陈学雷强调,大尺度结构并没有把宇宙空间分成截然不同的两个世界,更不是宇宙的边界。

可帮助推断宇宙演化历史

陈学雷表示,大尺度结构并无十分神秘的性质。“历史上,宇宙学家们屡屡宣称发现了新的大尺度结构。”

而真正让宇宙学家们兴奋的点在于,找到比以往发现的结构更大、形成更早的大尺度结构。

那么,这一发现的意义何在呢?在此,需要提到标准的宇宙模型理论,也就是Lambda-CDM(LCDM)模型。它描绘了宇宙中的星系和星系团在宇宙大爆炸后几乎均匀分布的物质中微小的密度变化。

根据LCDM模型,大尺度结构应该是从小到大逐渐演化的。“因为物质由疏到密需要一个时间过程,这意味着,早期形成的结构应该比较小。”陈学雷说,如果发现形成更早却更大的星系长城,就突破了现有的模型。

苟利军解释道,现代宇宙学家们可使用计算机模拟大尺度结构形成过程。“将模拟结果跟实际观测结果对比,如果二者不一致,说明标准模型存在问题,需要对模型进行调整,进而更加精准地推断宇宙演化的历史,同时预测宇宙的演化方向。”

陈学雷告诉记者,宇宙学标准模型是一种定量预测,通过模型我们能将预测所得的物质百分比、涨落大小等与实际观测结果相比。“如果在宇宙早期就发现非常大的结构,那就说明现有理论很可能有误,或不够全面。”所以,观测天文学家们一直致力于找到更早、更大的星系长城。

“如同星系长城的形成一样,空洞也随着时间变得越来越大。如果在宇宙早期就形成特别大的空洞,同样和标准理论相矛盾。”不过,陈学雷补充道,有时候观测误差或分析方法不够完善也会导致理论和实际结果不一致。此外,宇宙膨胀也会对大尺度结构产生影响。“总体而言,现有的宇宙学标准模型能够解释大多数的观测现象。”

(原标题:宇宙边界现身波江座?你想多了)

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