計(jì)算機(jī)模擬的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)

天聞?lì)l道

近日，一則科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙墻的“新聞”在網(wǎng)上流傳。照其說法，意大利的科學(xué)家在離地球100億光年之外的波江座里，發(fā)現(xiàn)了一條橫跨35億光年的真空帶，也就是所謂的宇宙墻。

隨后，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)辟謠稱，上述“新聞”塞進(jìn)了大量誤解和臆想的內(nèi)容。而所謂的“宇宙墻”實(shí)際上是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。

那么，什么是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)?為什么人們會(huì)誤以為它是宇宙的邊界?

實(shí)際是遍布宇宙的“大網(wǎng)”

“宇宙大尺度結(jié)構(gòu)其實(shí)就是由星系組成的。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴科技日報(bào)記者，大尺度結(jié)構(gòu)在宇宙中很普遍。“我們可以把大尺度結(jié)構(gòu)想象成一張網(wǎng)，但與平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不同，大尺度結(jié)構(gòu)是三維的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)。”

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，大尺度結(jié)構(gòu)中存在星系、暗物質(zhì)、暗能量等。

陳學(xué)雷說：“我們原以為宇宙的物質(zhì)分布是均勻的，但實(shí)際上并不均勻——有的地方物質(zhì)密集，有的地方稀疏。大尺度結(jié)構(gòu)描述的正是宇宙的不均勻狀態(tài)。”

按照萬有引力定律，密度高的地方引力作用更強(qiáng)，會(huì)把周圍物質(zhì)吸引過去。密度小的地方引力較小，其中的物質(zhì)容易被周圍密度高的地方吸走。如同馬太效應(yīng)，在萬有引力作用的過程中，密的地方會(huì)越來越密，稀的地方越來越稀。“星系、暗物質(zhì)、暗能量密集的地方形成了類似纖維的結(jié)構(gòu);反之，稀疏的地方形成了空洞，幾乎沒什么物質(zhì)存在。”陳學(xué)雷告訴記者。

如果把宇宙中的物質(zhì)看作一個(gè)一個(gè)孤立的點(diǎn)，受到密度擾動(dòng)之后，孤立的點(diǎn)聚在一起就成了一條條線，點(diǎn)幾乎都被吸走的地方就成了空洞。“空洞和纖維結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。”據(jù)陳學(xué)雷介紹，我們所處的銀河系就位于大尺度結(jié)構(gòu)中的纖維部分。

需要注意的是，大尺度結(jié)構(gòu)是從宏觀角度觀測宇宙時(shí)用到的概念，并不是說宇宙中真的存在線條。“比如我們用肉眼觀測葉子脈絡(luò)時(shí)，看到的是線條，但用顯微鏡觀察這些脈絡(luò)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們實(shí)際上是由細(xì)胞組成。只有從宏觀角度講，才有線條之說。”茍利軍強(qiáng)調(diào)。

而所謂的“宇宙墻”說法其實(shí)源于人們的誤解。最初，大尺度結(jié)構(gòu)被戲稱為great wall，譯作星系長城或星系之墻。陳學(xué)雷談道：“天文學(xué)家把大尺度結(jié)構(gòu)稱作great wall，意在突出它的形狀像城墻般蜿蜒，而非指實(shí)體意義上厚實(shí)的城墻，更不是指大尺度結(jié)構(gòu)起隔離作用。如果當(dāng)初大尺度結(jié)構(gòu)被描述為長藤或長蛇，也許我們會(huì)有另一番理解和想象。”

陳學(xué)雷強(qiáng)調(diào)，大尺度結(jié)構(gòu)并沒有把宇宙空間分成截然不同的兩個(gè)世界，更不是宇宙的邊界。

可幫助推斷宇宙演化歷史

陳學(xué)雷表示，大尺度結(jié)構(gòu)并無十分神秘的性質(zhì)。“歷史上，宇宙學(xué)家們屢屢宣稱發(fā)現(xiàn)了新的大尺度結(jié)構(gòu)。”

而真正讓宇宙學(xué)家們興奮的點(diǎn)在于，找到比以往發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)更大、形成更早的大尺度結(jié)構(gòu)。

那么，這一發(fā)現(xiàn)的意義何在呢?在此，需要提到標(biāo)準(zhǔn)的宇宙模型理論，也就是Lambda-CDM(LCDM)模型。它描繪了宇宙中的星系和星系團(tuán)在宇宙大爆炸后幾乎均勻分布的物質(zhì)中微小的密度變化。

根據(jù)LCDM模型，大尺度結(jié)構(gòu)應(yīng)該是從小到大逐漸演化的。“因?yàn)槲镔|(zhì)由疏到密需要一個(gè)時(shí)間過程，這意味著，早期形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)該比較小。”陳學(xué)雷說，如果發(fā)現(xiàn)形成更早卻更大的星系長城，就突破了現(xiàn)有的模型。

茍利軍解釋道，現(xiàn)代宇宙學(xué)家們可使用計(jì)算機(jī)模擬大尺度結(jié)構(gòu)形成過程。“將模擬結(jié)果跟實(shí)際觀測結(jié)果對比，如果二者不一致，說明標(biāo)準(zhǔn)模型存在問題，需要對模型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而更加精準(zhǔn)地推斷宇宙演化的歷史，同時(shí)預(yù)測宇宙的演化方向。”

陳學(xué)雷告訴記者，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型是一種定量預(yù)測，通過模型我們能將預(yù)測所得的物質(zhì)百分比、漲落大小等與實(shí)際觀測結(jié)果相比。“如果在宇宙早期就發(fā)現(xiàn)非常大的結(jié)構(gòu)，那就說明現(xiàn)有理論很可能有誤，或不夠全面。”所以，觀測天文學(xué)家們一直致力于找到更早、更大的星系長城。

“如同星系長城的形成一樣，空洞也隨著時(shí)間變得越來越大。如果在宇宙早期就形成特別大的空洞，同樣和標(biāo)準(zhǔn)理論相矛盾。”不過，陳學(xué)雷補(bǔ)充道，有時(shí)候觀測誤差或分析方法不夠完善也會(huì)導(dǎo)致理論和實(shí)際結(jié)果不一致。此外，宇宙膨脹也會(huì)對大尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。“總體而言，現(xiàn)有的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型能夠解釋大多數(shù)的觀測現(xiàn)象。”