2024-09-17 www.dnxtw.com
2021 2000年,天文学家在牧夫座附近发现了一个巨大的弧形结构。结构极其巨大,比银河系大数万倍,宽度足够 33 亿光年已达到可观测宇宙半径 1/15!
仅仅两年后,当作家们仍然感到困惑时,第二个巨大的结构出现了。这个结构也在牧民座旁边,非常接近以前的巨大弧形结构。不同的是,这次它不再是一个弧,而是一个完整的环。环的直径 13 周长达到了亿光年 40 亿光年。
你知道,超星系团是宇宙中为数不多的庞然大物之一,它们通常只有数亿光年。例如,银河系所在的室女座超星系团(Virgo SC),直径刚刚超过 1 亿光年。要和今天这两个庞然大物相比,恐怕只有星系长城那种更大的结构。
即便如此,就像著名的史隆长城一样,它的长度只有十亿光年。关键和奇怪的是,星系长城是一个巨大的星系群,早年由重力聚集。由于星系群之间的聚集是完全随机的,星系长城的形状通常是不规则的。
另一方面,巨弧和巨环不仅与星系长城相当,而且保持了如此规则的外观,这是出乎意料的。那么它们是什么,它们是从哪里来的呢?
首先,形成这个庞然大物的不是其他东西,而是星系。然而,这些星系有一个特点。就像我们上次介绍的暗星系一样,它们的亮度非常低,甚至低于夜空本身的背景亮度。难怪它们以前没有被发现。这一次,由于它们后面的类星体,它们被发现了。
类星体是一种极其明亮的活跃星系核,中心是一个超大质量的黑洞,正在吃特别的食物。它们的星系通常是一些年轻的星系幼崽,它们经常存在于宇宙的古代,所以它们离我们很远。
当这些类星被有前途的暗星系阻挡时,它们的光就会变暗。周围的类星都很亮,但这些都很暗,显然它们应该被什么东西阻挡。在光谱数据的帮助下,天文学家很快就证实了这些屏蔽物是一个接一个的星系。与此同时,他们还绘制了这些星系的轮廓,所以巨大的弧线和环出现在人们面前。
通过对天文学家的进一步分析,我们发现巨弧和巨环离我们几乎很远,这意味着它们存在于宇宙的同一时期。当时,宇宙只有现在年龄的一半,大小比现在小得多,所以问题出现了:根据宇宙学的标准模型,宇宙越早,内部同质化就越明显,结构化的大规模天体就越不可能出现。
例如,在大爆炸开始时,宇宙中除了“热量”之外没有天体。后来,随着环境温度的下降,恒星、星系甚至星系团等天体慢慢出现。即使在中期,理论上,宇宙也不应该超过跨度 12 亿光年的结构,但巨弧和巨环明显超过了这个尺寸。因此,这是对当今宇宙学的另一个挑战。
目前,研究人员对这两种结构给出了三种解释,其中第三种特别是遐想。
鉴于其规则的圆形形状,研究人员最初认为,这种大型结构可能来自重子声学振荡(BAO),它也是宇宙学标准模型允许存在的大尺度结构。
在重子声学振荡之前,我做了一个特殊的问题。简单地说,你可以想象大爆炸的原始宇宙是一片海洋。海水是新形成的重子物质,如质子和中子。随后,高能光子产生了强大的辐射压力。这些光子推动重子向前移动,因此它们向四面八方扩散,形成一种中空结构,边缘与气泡密切相似。它被称为“重子声学振荡”,因为这种“气泡”的密度波动符合一些声学特征。
由于这些“气泡”诞生于宇宙的早期阶段(比背景辐射早),随着空间的扩大,今天的“气泡”变得非常巨大。它有多大?武仙北冕长城听说过,一座跨越数百亿光年的星系长城,只是这个“气泡”气泡壁的一部分!这样,这两个大家伙就有点相似了。
然而,经过仔细分析,研究人员发现了一个严重的问题:重子声学振荡产生的“气泡”是三维的,但巨大的弧和巨大的环是二维的结构!换句话说,我们看到的环不是球壳的边缘,它真的是一个环。所以它们看起来不像重子声学振荡。
然后研究人员给出了另一个解释:它们可能是由宇宙弦引起的。
说到宇宙弦,这个东西更抽象。它是宇宙早期空间相变引起的拓扑缺陷,是一种一维的线性“物体”。表现为只有质子厚度,但能拉长到光年尺度的“细丝”。虽然“细丝”很细,但它含有惊人的能量,所以它的运动可以产生强大的引力波。这些引力波会影响空间和空间中的物质,巨弧和巨环可能是在它的影响下形成的。
那么这种宇宙弦是一种已经证实的存在,还是只是一种理论预测呢?下次我们来谈谈它的来龙去脉。
无论是宇宙弦还是重子声学振荡,这些解释最终都在宇宙学标准模型的框架内。然而,研究人员也考虑了超出标准模型的新解释,如彭罗斯的共形循环宇宙学 (CCC) 模型。
从名字上可以看出,宇宙在这个模型中经历了无数次的循环。但与“大挤压”(Big Crunch)“不同的循环假设,这个模型中的宇宙不是先经历“坍缩”,然后再“爆炸”,而是从头到尾无限膨胀。
但是如果一直膨胀,怎么循环呢?彭罗斯认为,在宇宙结束时,当所有物质都衰减到一定程度时,从数学的角度来看,宇宙和大爆炸的奇点之间没有本质的区别,唯一的区别是不同的规模。但是如果宇宙中没有物质,那么这个时候的规模就不重要了。整个宇宙将被视为下一个宇宙的奇点,重新开始新一轮的“大爆炸”,从而进入下一个循环。
重要的是,彭罗斯认为,尽管新宇宙几乎是一个新的开始,但新宇宙可能仍然保留着上一个宇宙留下的痕迹,比如宇宙微波背景中的“冷点”(CMB cold spot)以及我们今天所说的巨弧和巨环。
关于共形循环宇宙学,这个话题还是挺大的,以后有机会专门讨论。
目前,主流学术界仍对共形循环宇宙学模型持怀疑态度。毕竟,宇宙学标准模型对所有观察到的现象都有无与伦比的解释能力,这是任何其他宇宙学模型都无法企及的,包括共形循环宇宙学模型。
然而,无论模型有多好,都有一些不完美之处。随着越来越多意想不到的发现,如巨弧和巨环,它们就像出现在今天宇宙学头顶的“乌云”。这也表明,标准模型最终可能会被取代。
[1] UCLan: Discovery of a Giant Arc in distant space adds to challenges to basic assumptions about the Universe
[2] UCLan: A Big Cosmological Mystery
[3] YouTube: AAS 243 Press Conference: Oddities in the Sky
[4] Wikipedia: Conformal cyclic cosmology
本文来自微信公众号:微信公众号(ID:linvo001),作者:Linvo
广告声明:文本中包含的外部跳转链接(包括不限于超链接、二维码、密码等形式)用于传递更多信息,节省选择时间。结果仅供参考。计算机系统网络上的所有文章都包含了本声明。
10-20404