【知道SET】“宇宙之网”宇宙大尺度结构

本集主题：“宇宙之网”宇宙大尺度结构

主讲人：石洵

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

宇宙大尺度结构

夜幕降临之后，我们头顶上灿烂的星空自古以来就地向我们展示着宇宙的广袤和我们自身的渺小。现在我们知道，这些星光绝大多数来自银河系内的恒星。而银河系只是可观测宇宙间千亿个星系中普通的一员，浩瀚时空中的一个小小岛屿。所有这些星系中邻近我们银河系的，比如仙女座大星系，在晴朗的夜晚、光污染小的地方，用10厘米口径的业余天文望远镜就可以直接看见；而更远更暗的星系则需要通过大型的专业天文望远镜进行长时间的曝光来探测。在90年代中期，人们用哈勃望远镜对准夜空中一块黑暗小区域进行了上百个小时的曝光，结果这张对应面积约为月亮的百分之一的照片里，探测到了大约三千个遥远的星系，整张照片看起来就好像一个装满宝石的盒子。

图1哈勃望远镜拍摄的深空照片（“哈勃深场”）

那么如果我们对宇宙间的这些星系做一个“人口普查“，它们的分布是怎样的呢？也是从90年代中期开始，天文学家开始进行这样的星系巡天，结果发现星系在天空中的位置看起来就像从空中看地球上夜晚城市的灯光：一些星系集中地住在城市里，很多星系住在城市与城市之间的大路上，还有大块大块的田野看上去黑黑的没有多少星系。考虑到不同星系离我们的不同距离，这对应着一个三维的网状结构，天文学中称为“宇宙之网”。它的网眼的典型尺度是三千万光年，也就是几百倍于我们银河系恒星盘的大小，这对应着刚才所说的“田野“， 或者用专业的语言来说，少有星系分布的”空洞”。而宇宙之网的结点对应着星系团、星系群，也就是由几十到几千个星系组成的成团结构，像一些星系的”小城市“。这些小城市之间，则是宇宙纤维状结构，其中也分布着大量星系。这些星系团、星系群、纤维状结构和空洞即构成了宇宙的大尺度结构，这也是宇宙间已知的最大结构：在更大的、远超过宇宙之网网眼的尺度上，我们观测到的星系的分布是均匀，星系的平均数目在宇宙间不同的区域并没有什么差别。

图2 斯隆数字巡天-- 美国一2.5米望远镜自2000年起所做的星系普查所展示的星系组成的宇宙大尺度结构

如果更严格地套用”城市“这个比喻的话，宇宙之网的城市化还处于初级阶段，还只发展出很小的城市。但宇宙之网也是在演化的，在未来，纤维状结构中的星系会逐渐并合进入星系群、星系团，城市化也会像在地球上一样会越来越发达。这样的未来我们只能由物理推测，但是观测上我们可以看见宇宙的过去。这是因为光速是有限的，所以当我们观测离我们越远的空间的时候，接收到的光线也就来自于更久远的时间，看到的也就是更幼年的宇宙。天文学家用大型望远镜看到的更幼年的宇宙中，星系的分布比起今天的确实要更加均匀，宇宙大尺度结构没有今天的这么清晰。

由此推断，极早期的宇宙必然是十分均匀的。天文观测发现的确是这样。上个世纪中叶，宇宙微波背景辐射的发现直接带给了我们宇宙在其婴儿期的信息。当时，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊搭建了射电天线打算用来做卫星通信实验。他们发现有一个恼人的噪声一直找不到根源，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，不论天线对着天空的哪个方向，它对应的天线温度都是绝对温度3度。这听起来很像是天线本身所产生的噪声，然而彭齐亚斯和威尔逊试了各种方法检查天线，包括清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，这个噪声仍无法除去，而越来越显得像一个真实的信号。不久，他们了解到这一“噪声”正是几十公里之外普林斯顿大学的科学家们正在寻找的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射最惊人的特征就是它高度的均匀性：之后更精密的测量指出，它在在天空中不同方向上强度的涨落，只有十的负五次方。

也就是说，在宇宙微波背景辐射产生的时候，宇宙中不同位置的密度的差别仅有百分之零点零零几那么大。而正是从这么小的一点点密度差别，演化出了今天的宇宙大尺度结构。

图3 宇宙微波背景辐射反映的微小密度涨落是今天宇宙大尺度结构的种子

物理上怎样理解宇宙大尺度结构这一随时间的增长呢？其实很简单，这背后的作用力与让苹果落地的力是一样的，就是万有引力--我们所知的四种基本作用力中唯一的长程且不正负相消的作用力。宇宙早期物质分布中一些小小的扰动使一些区域的密度比起周围稍微大了那么一点点。在万有引力的不断作用下，周围的物质会逐渐向这些密度稍高的区域流动，使它们的密度越来越高。正是这一引力不稳定性使宇宙大尺度结构从相对均匀的宇宙中涌现，也使了它不断的增长、演化。

图4 计算机模拟宇宙暗物质大尺度结构在从宇宙早期（左）至今（右）的演化

这其中还有一个微妙而神奇的事实：如果定量的研究宇宙大尺度结构和它的演化，就会发现，这背后需要的引力远非所有星系中可见的恒星，以及其他可见物质的质量所可以提供的。甚至我们通过综合考虑其他的天文观测和粒子物理知识，把所有已知的粒子在宇宙间贡献的质量都算上，也只能贡献所需引力的不到百分之二十。也就是说，产生宇宙间引力的大部分质量来源还是一个未知之谜。天文学家将这些物质称为“暗物质”，它们和其他已知物质的相互作用必然很微弱，所以它们才很“黑暗”。虽然天文学家和粒子物理学家一直在用各种观测和实验手段搜寻暗物质的踪迹，它至今还是没有被用引力以外的任何方式所探测到。

我们所见星系组成的大尺度结构，其实反映着暗物质的大尺度结构。每个星系都存在于更大的暗物质晕中；星系的分布，则像是暗物质分布上的冰山一角。计算机模拟是研究暗物质大尺度结构的重要方法，它可以帮助我们重现暗物质大尺度结构在引力作用下的演化历史。对比计算机模拟的宇宙大尺度结构和天文观测到的宇宙大尺度结构，我们可以得到宇宙间暗物质的总量和性质等重要的信息。值得一提的是，这样的研究同时支持了宇宙中另一个黑暗成分-- 性质更为奇特的暗能量在我们宇宙中的普遍存在。暗能量在今天宇宙中的能量密度比暗物质还大很多，把暗物质和暗能量的能量密度加在一起，将占到当今宇宙所有能量密度的百分之九十五。结合宇宙大尺度结构和其他宇宙学观测对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理研究的重要课题。

比起夜晚遍布恒星的星空，如今更令天文学家感到赞叹和敬畏的，正是这灿烂的星系大尺度结构所揭示的黑暗世界。

知识点总结：

1. 宇宙大尺度结构：宇宙中的物质在大尺度上的网状分布结构，宇2. 宙间最大的结构。

2. 星系巡天帮助我们发现了宇宙大尺度结构，它至今是测量宇宙大

尺度结构的一种重要手段。

3. 宇宙微波背景辐射告诉我们，宇宙早期物质分布很均匀，只有微小的密度涨落。

4. 引力不稳定性导致了宇宙大尺度结构从微小密度涨落的形成

5. 宇宙间大部分的引力来源于物理机制不明的“暗物质”

6. 宇宙大尺度结构的研究支持了暗能量的存在

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