計算機模擬的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)

天聞頻道

近日，一則科學家發(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，中國科學院國家天文臺辟謠稱，上述“新聞”塞進了大量誤解和臆想的內(nèi)容。而所謂的“宇宙墻”實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)?為什么人們會誤以為它是宇宙的邊界?

實際是遍布宇宙的“大網(wǎng)”

“宇宙大尺度結(jié)構(gòu)其實就是由星系組成的。”中國科學院國家天文臺研究員茍利軍告訴科技日報記者，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。”

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

陳學雷說：“我們原以為宇宙的物質(zhì)分布是均勻的，但實際上并不均勻——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，會把周圍物質(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，在萬有引力作用的過程中，密的地方會越來越密，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。”陳學雷告訴記者。

如果把宇宙中的物質(zhì)看作一個一個孤立的點，受到密度擾動之后，孤立的點聚在一起就成了一條條線，點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時，看到的是線條，但用顯微鏡觀察這些脈絡時，會發(fā)現(xiàn)它們實際上是由細胞組成。只有從宏觀角度講，才有線條之說。”茍利軍強調(diào)。

而所謂的“宇宙墻”說法其實源于人們的誤解。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。陳學雷談道：“天文學家把大尺度結(jié)構(gòu)稱作great wall，意在突出它的形狀像城墻般蜿蜒，而非指實體意義上厚實的城墻，更不是指大尺度結(jié)構(gòu)起隔離作用。如果當初大尺度結(jié)構(gòu)被描述為長藤或長蛇，也許我們會有另一番理解和想象。”

陳學雷強調(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世界，更不是宇宙的邊界。

可幫助推斷宇宙演化歷史

陳學雷表示，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)。”

而真正讓宇宙學家們興奮的點在于，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，需要提到標準的宇宙模型理論，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)應該是從小到大逐漸演化的。“因為物質(zhì)由疏到密需要一個時間過程，這意味著，早期形成的結(jié)構(gòu)應該比較小。”陳學雷說，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)代宇宙學家們可使用計算機模擬大尺度結(jié)構(gòu)形成過程。“將模擬結(jié)果跟實際觀測結(jié)果對比，如果二者不一致，說明標準模型存在問題，需要對模型進行調(diào)整，進而更加精準地推斷宇宙演化的歷史，同時預測宇宙的演化方向。”

陳學雷告訴記者，宇宙學標準模型是一種定量預測，通過模型我們能將預測所得的物質(zhì)百分比、漲落大小等與實際觀測結(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，同樣和標準理論相矛盾。”不過，陳學雷補充道，有時候觀測誤差或分析方法不夠完善也會導致理論和實際結(jié)果不一致。此外，宇宙膨脹也會對大尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。“總體而言，現(xiàn)有的宇宙學標準模型能夠解釋大多數(shù)的觀測現(xiàn)象。”