在非常大的尺度上，宇宙是一個由相互交織的物質(zhì)簇組成的網(wǎng)絡(luò)，其中散布著巨大的空隙。圖片來源：Volker Springel

作詞：卜周

審稿人：clefable 2021 年，Alexia M. Lopez 正在英國中央蘭開夏大學(xué)攻讀研究生學(xué)位。當(dāng)洛佩茲將注意力轉(zhuǎn)向93億光年外的牧夫座時，她驚訝地發(fā)現(xiàn)，一個由45到50個氣體云組成的星團在宇宙中似乎排列成近乎對稱的巨大新月形結(jié)構(gòu)——巨大的弧線。相比之下，目前可觀測宇宙的寬度約為940億光年，而這條巨大的弧線在宇宙中跨越了33億光年，幾乎是可觀測宇宙半徑的1/15。對于洛佩茲來說，如此大規(guī)模的巨弧幾乎可以稱為“超現(xiàn)實”，它的存在似乎違反了宇宙應(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察結(jié)果，”她在接受英國廣播公司采訪時感嘆道。洛佩茲在2021年6月的美國天文學(xué)會議上介紹了巨型弧的發(fā)現(xiàn)，并于2022年10月在《英國天文學(xué)會月刊》（皇家天文學(xué)會月刊）上發(fā)表了結(jié)果。但洛佩茲與這個奇特結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不止于此。今年1月，在美國天文學(xué)會（AAS）第243次會議上，洛佩茲再次報告了一個大型結(jié)構(gòu)————大環(huán)，它與之前發(fā)現(xiàn)的巨弧相對較近，位于牧夫座附近。這個巨環(huán)的直徑約為13億光年。如果我們能在地球上用肉眼看到它，它的大小大約是夜空中滿月大小的15倍?？雌饋磉@個環(huán)是一個近乎完美的圓形，但根據(jù)洛佩茲的分析，它更像是一個螺旋線圈，只不過圓的孔面向地球。雖然巨環(huán)的直徑比巨弧要小很多，但是它的周長卻和巨弧差不多。

如果在地球上可以看到巨大的弧線和巨大的環(huán)，它們在天空中的大致分布。資料來源：Stellarium/中央蘭開夏大學(xué)

然而，這些壯觀的大型結(jié)構(gòu)不僅在尺寸上引人注目，更重要的是，它們的存在似乎對天文學(xué)家提出了挑戰(zhàn)：宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型可能需要重寫。或修正。

宇宙是均勻的嗎.如果在足夠大的尺度上觀察整個宇宙，一般認(rèn)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，它與愛因斯坦的廣義相對論一起構(gòu)成了宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論框架基礎(chǔ)。均勻性和各向同性意味著無論我們在宇宙中的哪個位置，從任何方向看宇宙都應(yīng)該是相同的。雖然宇宙學(xué)原理描述宇宙是均勻的，但如果我們像變焦鏡頭一樣“聚焦”然后逐漸“縮小”來觀察宇宙，我們會看到多個行星繞著一顆恒星運行，而這顆恒星由數(shù)十億顆恒星組成。一個星系，數(shù)千個星系組成一個星系團，星系團組成一個超星系團。這些星系彼此靠近，并大規(guī)模地形成細絲。它們穿梭于浩瀚的宇宙空間，相互交織、連接，形成了一張布滿星際空間的3D宇宙網(wǎng)絡(luò)。細絲自然是物質(zhì)聚集的地方，其余的都是物質(zhì)密度極低的中空區(qū)域。從這個角度來看，宇宙還算均勻嗎？

宇宙網(wǎng)絡(luò)藝術(shù)概念圖像。圖片來源：NASA

準(zhǔn)確地說，均勻性取決于觀察的規(guī)模。如果把宇宙比作海洋，海洋的表面近看會顯得粗糙（相對而言），但遠看則光滑如鏡。從大范圍來看，宇宙網(wǎng)中物質(zhì)的分布確實是均勻的。但在相對較小的尺度上，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身表明物質(zhì)分布不均勻。事實上，像宇宙網(wǎng)這樣的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是令科學(xué)家們困惑的根源。 —— 物質(zhì)分布不均勻從何而來？宇宙是如何演化成我們今天所觀察到的樣子的？為此，天文學(xué)家一直在嘗試更精確地測量宇宙中的許多天體，無論是恒星、星系還是遙遠的星系團，希望能夠創(chuàng)建精確的宇宙地圖，加深我們對宇宙的理解。斯隆數(shù)字巡天（SDSS）就是從這個項目中誕生的，洛佩茲在觀察過去SDSS數(shù)據(jù)中類星體的吸收線時發(fā)現(xiàn)了這些不合理的結(jié)構(gòu)。洛佩茲發(fā)現(xiàn)的“巨弧”和“巨環(huán)”就像光滑表面上一些顯眼的“凹凸”。這兩個結(jié)構(gòu)非常接近，甚至可以合并成一個非常大的結(jié)構(gòu)。 “問題是，這么大的結(jié)構(gòu)如何形成？”英國華威大學(xué)物理系教授唐·波拉科（Don Pollacco）說道。很難具體想象這種結(jié)構(gòu)的形成機制，但一定與宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程有關(guān)。根據(jù)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，當(dāng)宇宙開始膨脹時，物質(zhì)密度的微小擾動會導(dǎo)致物質(zhì)在某些區(qū)域聚集。經(jīng)過數(shù)十億年的演化，引力最終導(dǎo)致這些團塊凝結(jié)成恒星和星系，最終形成我們觀察到的結(jié)構(gòu)。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。但英國牛津大學(xué)理論物理學(xué)教授蘇比爾·薩卡(Subir Sarkar) 表示，這個過程將需要足夠長的時間。宇宙的年齡是有限的，因此理論上還不足以形成直徑超過12億光年的物體。那么，如何解釋規(guī)模超過30億光年的巨弧和環(huán)的形成過程可能還需要進一步討論。

充滿龐然大物然而，洛佩茲的“弧”和“環(huán)”并不是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的唯一大型結(jié)構(gòu)。事實上，早在1989年，就有兩位天文學(xué)家觀測到了宇宙中的一條星系“長城”，稱為CfA2長城。這堵星系墻長約5億光年，寬約3億光年，厚約1500萬光年。后來在2003年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一條更長的星系墻，即斯隆長城，長約15億光年。近十年來，隨著天文觀測技術(shù)的快速發(fā)展，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些龐然大物的速度也不斷加快。 2016年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了BOSS長城，它橫跨10億光年，由830個獨立星系組成。然而，目前最大的大型結(jié)構(gòu)是2013年發(fā)現(xiàn)的大力神-北冕座長城，其跨度達到100億光年，超過了可觀測宇宙的大小。十分之一。

圖片來源：維基百科

這些龐然大物可以說是宇宙中最大、最重的結(jié)構(gòu)。它們大多超出了理論上“可能形成”的規(guī)模極限，迫使標(biāo)準(zhǔn)模型不斷修訂。 （這個過程時有發(fā)生，比如上個世紀(jì)有兩次修改，一次引入暗物質(zhì)，一次引入暗能量。）事實上，在發(fā)現(xiàn)諸如斯隆沃爾早年的天文學(xué)專家預(yù)測，未來更深入的星系調(diào)查將使我們看到更多類似的結(jié)構(gòu)，例如巨弧和巨環(huán)。然而，一些科學(xué)家對洛佩茲的研究提出質(zhì)疑。當(dāng)我們仰望天空，觀察各種形態(tài)的云彩時，我們可以看到字母“A、B”的形狀，甚至可以看到各種動物。這是因為我們非常擅長從隨機對象中提取模式，但這并不是真正的結(jié)構(gòu)。所謂的星系團“弧”或“環(huán)”排列只是天體的偶然排列嗎？在2021 年的Giant Arc 研究中，洛佩茲進行了一系列統(tǒng)計測試，以99.9997% 的置信度證明了他的結(jié)果。薩卡說，在這種情況下，它可以被認(rèn)為是一條真正的超星系團鏈。新發(fā)布的巨環(huán)研究尚未經(jīng)過同行評審，可能需要進一步驗證。

本文來自微信公眾號“全球科學(xué)”。

論文鏈接：

https://academic.oup.com/mnras/article/516/2/1557/6657809#371685760

https://arxiv.org/abs/2402.07591

參考鏈接：

https://www.uclan.ac.uk/news/big-ring-in-the-sky

https://www.uclan.ac.uk/news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assminations-about-the-universe

http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics

https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml