宇宙的大尺度结构与均匀性探讨

作者: 任桐田

来源: 科学世界

发布日期: 2021-11-23 18:30:00

本文探讨了宇宙学原理,即宇宙在大尺度上是均匀的、各向同性的假设,并通过观测证据如宇宙微波背景辐射和星系分布的统计结果来验证这一假设。文章还讨论了早期宇宙的密度涨落在引力作用下形成的大尺度结构,以及一些挑战现有理论的观测现象。

宇宙学原理认为,宇宙在大尺度上是均匀的、各向同性的。这是20世纪初现代宇宙学建立伊始就被广泛认可的假设,而观测证据有助于验证这个假设的可靠性。近30年来,对宇宙微波背景辐射(CMB)的观测证明了早期宇宙的均匀性。普朗克卫星的观测结果表明,CMB对应的黑体谱温度涨落(密度涨落)只有10-5数量级。同时,对全天各方向星系数量的统计结果也证实了宇宙中不同方向上星系密度的均一性。

不过,早期宇宙这区区10-5数量级的密度涨落,在引力作用下,质量密度较高的区域密度变得更大。不考虑暗能量的话,宇宙中暗物质约占物质总量的85%,重子物质则只有15%。早期密度的涨落先是形成暗物质晕,而暗物质晕之间的引力作用又形成了纤维状的“骨架”结构。“骨架”吸积重子物质,进而形成了能为我们观测的星系和星系团等结构。

通过研究大尺度上星系三维分布的特征来检验宇宙的均匀各向同性的方法,被称为AP检验(Alcock-Paczynski test)。应用该方法分析宇宙中星系的分布,就会发现它们在数千万乃至上亿光年的尺度上,组成了纤维状的结构。星系集中在纤维上,而纤维之间是空荡荡的巨洞,这就是宇宙大尺度结构。

但是把尺度进一步放大到3亿光年以上时,就会发现这些纤维不能再组成更大的连续结构,而是在不同的区域内呈现出随机的分布。于是,宇宙中的物质分布在这个“浩瀚界限”(end of greatness)上重归平滑和随机的结构。这就像一张渔网,当我们远远望去,会以为它是均匀平滑的,但放大看,就发现其实上面遍布空洞。

不过,一些观测现象似乎在挑战宇宙学原理。尺度达到上百亿光年的武仙-北冕座长城和40亿光年的巨型超大类星体群等结构远远超出了“浩瀚界限”理论的上限。不过,这些观测事实仍然备受质疑,不足以推翻现有的宇宙学原理,但我们也不能排除现有理论需要修改的可能。

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