從量子波動(dòng)到星系形成：引力盆地讓我們離宇宙真相更近了

圖蟲創(chuàng)意

引力盆地，聽起來可能有點(diǎn)像地球上的自然奇觀，但在宇宙中，它們卻扮演著至關(guān)重要的角色。想象一下，宇宙就像一片廣闊的沙灘，當(dāng)海浪沖刷時(shí)，會(huì)在沙灘上留下低洼的洼地，這些洼地就是引力盆地。這些宇宙洼地通過它們強(qiáng)大的引力，吸引和聚集周圍的物質(zhì)，形成了星系和星系團(tuán)。大家好，我是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的茍利軍。今天，我就和大家聊聊這個(gè)和宇宙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的現(xiàn)象——引力盆地。

首先，讓我們看一下現(xiàn)在的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型Λ冷暗物質(zhì)，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)是怎樣的。ΛCDM模型是目前宇宙學(xué)中最為主流的理論框架。它認(rèn)為宇宙的組成主要包括暗能量，達(dá)到了70%左右，它用希臘字母Λ表示，除此之外，還包括冷暗物質(zhì)和普通物質(zhì)。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)起源于早期宇宙膨脹時(shí)期的量子波動(dòng)。這些微小的密度擾動(dòng)在引力的作用下，隨著時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，形成了今天我們所見的復(fù)雜宇宙結(jié)構(gòu)，包括星系、星系團(tuán)和更大的超星系團(tuán)。

在ΛCDM模型中，暗物質(zhì)起到了引力膠水的作用。雖然我們無法直接觀測(cè)到暗物質(zhì)，但其引力效應(yīng)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。暗物質(zhì)通過引力吸引，使得物質(zhì)在空間中聚集，形成了所謂的“宇宙網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。這種宇宙網(wǎng)由密度較高的絲狀結(jié)構(gòu)和密度較低的空洞組成，星系和星系團(tuán)主要分布在這些絲狀結(jié)構(gòu)的交匯處。

接下來，我們來看一下什么是引力盆地，以及它們?yōu)楹螌?duì)星系運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。引力盆地可以被理解為宇宙中引力勢(shì)能較低的區(qū)域，就像地形中的洼地會(huì)吸引水流匯聚一樣，這些區(qū)域會(huì)吸引周圍的物質(zhì)向其運(yùn)動(dòng)。由于引力的作用，星系和物質(zhì)會(huì)自然地沿著引力梯度向引力盆地移動(dòng)。這種物質(zhì)的流動(dòng)被稱為宇宙流，反映了物質(zhì)在大尺度引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。

引力盆地對(duì)星系運(yùn)動(dòng)的重要性在于，它們主導(dǎo)了物質(zhì)在宇宙中的流動(dòng)方向和速度。通過研究引力盆地的位置和性質(zhì)，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)星系的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度分布。這對(duì)于理解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化，以及驗(yàn)證宇宙學(xué)模型都有著重要意義。

而就在今年（2024年）9月，一個(gè)包含以色列、德國(guó)、法國(guó)以及美國(guó)科學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于引力盆地的新進(jìn)展。他們利用最新的宇宙流4（CF4）的數(shù)據(jù)，并采用漢密爾頓蒙特卡羅算法，成功地重建了距離地球約10億光年范圍內(nèi)的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。這種方法允許科學(xué)家對(duì)宇宙的引力場(chǎng)進(jìn)行概率性評(píng)估，從而更準(zhǔn)確地識(shí)別出對(duì)星系運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要的引力盆地。該研究已發(fā)表在《自然?天文學(xué)》雜志上。

此前的觀測(cè)表明，銀河系屬于拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的一部分。然而，新的數(shù)據(jù)揭示了一個(gè)不同的圖景：我們所在的星系團(tuán)其實(shí)是巨大的沙普利盆地的一部分。同時(shí)，被稱為“史隆長(zhǎng)城”的星系結(jié)構(gòu)被確認(rèn)為最大的引力盆地，其體積約為5億立方光年，幾乎是之前認(rèn)為最大的沙普利盆地的兩倍多。

這些發(fā)現(xiàn)為何被視為宇宙學(xué)的一大進(jìn)步？首先，它為我們提供了關(guān)于宇宙引力格局的新視角。通過識(shí)別和繪制這些引力盆地，科學(xué)家們能夠更深入地了解物質(zhì)在宇宙中的分布和流動(dòng)方式。這對(duì)于驗(yàn)證和改進(jìn)現(xiàn)有的宇宙學(xué)模型，如ΛCDM模型，具有重要的指導(dǎo)意義。

其次，這個(gè)研究揭示了星系和宇宙結(jié)構(gòu)隨時(shí)間演變及相互作用的方式。引力盆地的識(shí)別幫助我們理解了星系如何在引力的作用下移動(dòng)和聚集，從而形成復(fù)雜的宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這對(duì)于解答一些基本的宇宙學(xué)問題，如暗物質(zhì)的分布和推動(dòng)宇宙加速膨脹的原因，提供了新的線索。

總的來說，這項(xiàng)研究加深了我們對(duì)宇宙復(fù)雜引力動(dòng)力學(xué)的理解，也讓我們更清楚地認(rèn)識(shí)到塑造宇宙結(jié)構(gòu)的力量。識(shí)別這些引力盆地不僅是宇宙學(xué)研究的一大進(jìn)步。通過繪制這些吸引星系和物質(zhì)的重要區(qū)域，我們能夠更加深入地認(rèn)識(shí)宇宙的歷史及其演化，進(jìn)一步解答關(guān)于宇宙本質(zhì)的最基本問題。希望今天的分享，大家對(duì)引力盆地和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)有了更深入的了解。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍

審核：韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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