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从大尺度看宇宙

人类对宇宙的认识,是从太阳、月亮和头顶上璀璨的星空开始的。

说起这些星星,虽共领着“星”的名字,其实成员的身份是颇为复杂的。其中有像金星一样的行星,有像天狼星一样的恒星,还有动辄包含数百亿颗恒星的星系——仅仅因为距离的遥远,它们才看起来像一颗星。

这些星星距离我们虽然远近有别,但由于人类眼睛的分辨率有限,它们看起来全好像分布在一个巨大的天球面上。我们看到的,实际上是它们在二维球面上的投影。

它们在天空中的分布有何规律?自古以来,就是人们谈论的话题。古人不懂星星有行星、恒星和星系之分,有时把不同性质的天体硬扯在一起,编造出星座的神话。这也算是他们寻找星星分布规律的初步尝试吧,但现在我们已经知道,这些“规律”是错误的。

宇宙学原理:宇宙是均匀的

自哥白尼提出太阳中心说以来,人们借助越来越强大的望远镜已经认识到,天体的分布在一定的尺度上遵循着等级制度:卫星绕着行星转;行星绕着恒星转;恒星又组成星系,绕着中心的黑洞转;星系继续组成星系团……按我们直观的想法,这种类似“一群小领导隶属于一个大领导”的等级结构,应该无穷地延续下去。

然而现代宇宙学在创始之初,就提出一条被称为“宇宙学原理”的基本假设。这个假设认为:宇宙物质在大尺度上应该是均匀分布的。之所以做这样的假设,是因为这样的宇宙是最简单的。

但这个原理岂不跟前面提到的星系等级结构矛盾?要回答这个问题,需要我们搞清楚何谓“大尺度”。

假如你在一个小房间里随机地撒下一碗豌豆。在你看来,它们均匀地分布在地上。但此时如果从某颗豌豆里探出一条虫子,它会怎么看呢?

它的目力有限,仅能看到眼皮子底下的一粒豆子,当它抬起头来,只感觉到周围空洞洞的空间。它要是能说话,定会告诉你:“全宇宙的物质全集中在我所在的豆子上,其他地方全是虚空。”

为什么你和虫子的意见会如此不同?显然,这是因为你能从全局看整个房间,而虫子只能看到它眼皮底下一粒豆子大小的区域。或者这么说:你们的观察尺度不一样,你是从大尺度看,虫子是从小尺度看;从小尺度看,“宇宙”物质的分布是不均匀的,但从大尺度看,却是均匀的。

所以,宇宙是否均匀,从不同的尺度看,得出的结论会不一样。宇宙学原理并不否认,从小尺度看,星系分布具有不均匀的等级结构,但它相信,存在一个尺度,从这一尺度上看,等级结构终止了,宇宙是均匀的。

描绘宇宙的3D地图

在过去的研究中,由于不知道星系的距离,人们习惯将观测到的星系画在二维的天球坐标系中。在这样的图中,它们的分布看起来非常均匀,这似乎印证了宇宙学原理。

但等到天文学家学会了如何测量星系的距离之后,情况变得不确定起来。

自哈勃做出那个划时代的发现之后,我们知道,远方的星系都在远离我们。它们退行的速度与距离成正比,此即哈勃定律V=HD(V为退行速度,D为距离,H为哈勃常数)。而我们还知道,当天体远离我们时,其发出的光谱要朝着波长长的一端移动,此即“红移”。根据红移的量,就能算出天体离开我们的速度,然后应用哈勃定律,又能算出它相对我们的距离。

通过这种办法,天文学家测出一个个星系的三维坐标,并绘制成宇宙的三维地图。其中两个维度代表星系在天球面上的位置,第三个维度则代表它在纵深方向的距离。

显然,宇宙的三维地图比二维地图更能真实地反映宇宙物质的分布,可以让天文学家在更严格的意义上检验宇宙学原理。

但是,用这种办法绘制成的宇宙三维地图大出乎他们的意料。首先,映入我们眼帘的是一些空洞。所谓“空洞”就是宇宙密度(单位体积内包含的星系数目)远小于平均密度的空间。它们的尺度一般在3千万光年。

其次,是宇宙密度大于或等于平均密度的区域,宇宙学家称之为“长城”。大多数星系就集中在这些蜿蜒曲折的“长城”上。每座“长城”在各处厚度不一,能延伸数亿光年以上。在它们彼此的交汇处,星系分布更加密集,称为“结”。

谁把宇宙雕琢成这个样子?

这种大尺度结构是如何形成的?是先有这种形状的“脚手架”,然后在“脚手架”中一步一步形成恒星、星系,还是反过来,先形成恒星、星系,星系再聚成这种大尺度结构的?这些问题一时困扰着宇宙学家。

按大爆炸理论,宇宙早期温度极高,密度极大,物质分布高度均匀。如此看来,现在所展现的类似中空泡沫塑料的结构,必定是在引力推动之下演化来的。但是怎么演化来的呢?

1970年代,人们已经意识到,宇宙中可见物质所占的比例很小,有超过84%都是不可见的暗物质。这意味着,在塑造宇宙的活动中,暗物质才是主角。

尽管天文学家至今对暗物质所知甚少,但他们仅凭对它的有限认识,在1980年代对宇宙的演化进行了计算机模拟。结果显示,在暗物质作用下,率先形成的是星系,然后是星系团,再后来,含有“空洞”和“长城”的整个泡沫结构也出来了。模拟得到的宇宙大尺度结构,与观测到的十分相似。

在模拟中,还可清楚地看到,在这场演化中,暗物质起到“脚手架”的作用。在恒星和星系还没有形成之前,暗物质凭自身引力把一些气体拉拽到身边,然后这些气体在引力作用下坍缩,坍缩到一定程度点燃了内部的核聚变,于是形成了恒星。千万颗恒星又进一步组成了星系。

更大尺度的结构

很明显,这种大尺度结构的存在,说明宇宙物质至少在星系这个尺度上,分布不是均匀的。

不过,宇宙学家终究是不肯轻易认错的。他们说:“宇宙看起来不均匀,是因为我们选择的观察尺度还不够大,假如从更大的尺度来观察,说不定就均匀了。”——你要是想说服前面那只趴在豌豆上的虫子,想必也会这么说。

比星系更大的尺度,当然是星系团或超星系团。不过,对于遥远的天体,要判断是星系还是星系团,实在太困难了,天文学家采用了一个偷懒的办法。他们以宇宙三维地图上任意一个星系为中心,画一个半径为R的球,数出球内所包含的星系数。然后跟假设星系均匀分布时,球内应包含的星系数比较。他们发现,当R较小时,偏离较大。但随着R增大,偏离越来越小;当R大于3.5亿光年时,基本趋于一致。于是他们下结论说,当尺度大于3.5亿光年,宇宙物质分布应该是均匀的。此结论暗含这一层意思:宇宙中不存在尺度大于3.5亿光年的结构。

不幸的是,最近一些年,天文学在宇宙中发现越来越多尺寸大于3.5亿光年的结构。

底下我们就来看看这些庞然大物:

1. 巨型空洞

2007年,美国天文学家发现,宇宙存在一个巨大的空洞。它的直径竟有6~10亿光年。空洞中既没有星体、气体云和其他普通的太空物质,也缺少神秘的暗物质。

尽管之前天文学家就已经知道,宇宙中充满了空洞,但这个巨型空洞的直径几乎是那些已发现空洞的数十倍。

2. 大型类星体群

类星体是一类非常活跃的星系核,是宇宙中最明亮的天体。它最显著的特征是两极会发出强劲、明亮的喷流,据称是星系中心的超大质量黑洞在吞食物质时发出来的。

自20世纪80年代以来,人们发现类星体还有聚集成群的现象。这种大尺度结构被称为“大型类星体群”。1991年发现的大型类星体群U1.28由34颗类星体组成,跨度大约在20亿光年。2011年发现的另一个类星体群U1.1跨度在25亿光年。2013年,一个更大的类星体群又被发现了。这个名为U1.27的超大型类星体群,由73颗类星体组成,跨度有40亿光年。这个尺寸是银河系到最近的仙女座星系距离的1600倍。

3. 宇宙“长城”

前面已经提到,宇宙的三维地图中,满布着“空洞”和“长城”。这些“长城”有的长达5亿光年。

自那以后,更长的“长城”被陆续发现。2003年发现的“萨隆长城”长14亿光年。而2013年被发现的“武仙-北冕座长城”,竟长达150亿光年,是迄今所发现的宇宙的最大结构。

这些大尺度结构的存在,一次次把宇宙学原理推到风头浪尖上。人们不禁深深地怀疑:宇宙真的是均匀的吗?大尺度结构的极限在哪里?万一宇宙不是均匀的,那会怎样?这些问题正在考验宇宙学家的耐心。

拓展阅读

我们处在一个宇宙空洞中吗?

英国剑桥大学的狄默思·克利夫敦提出一个惊人的观点:我们或许生活在一个宇宙空洞中。他说,要是假设我们处在一个巨大的宇宙空洞中,“宇宙膨胀加速”或许就是一个伪命题。

众所周知,1990年代天文学家发现,遥远的超新星看起来比理论预言的要暗淡。换句话说,它们比预想的要离我们更远。他们相信,一种与引力性质相反的排斥力要为此负责。他们称之为“暗能量”。

暗能量又是什么呢?目前主流的观点认为,这是一种真空能量——在量子力学上,空无一物的真空也是有能量的。不过,后来根据观测推算出来的暗能量值,比量子物理学预言的小了120个数量级。

根据克利夫敦的看法,问题或许不在宇宙学家的观测上,而在他们所做的一个假设,即“宇宙学原理”上。这个假设说,宇宙物质分布是均匀的。我们可以想象,在一个均匀的宇宙中,既没有一个特殊的点,也没有一个特殊的方向,即便是我们的所在,也毫不特殊。

但假如我们确实处在一个特殊的区域呢?比如说在一个巨大空洞的中心,我们所在区域,其物质密度比宇宙其余部分要小得多,那么我们周围的时空结构就可能跟其它地方大不一样。

我们知道,当远处的星光经过大质量天体时,会发生汇聚的现象,星星看起来似乎更明亮了,此即引力透镜效应。但远处的星光经过一个大空洞时,会如何呢?显然,将发生与引力透镜相反的效应,即星光被发散,星星看起来似乎黯淡了。这样或许就能解释超新星为什么比预想的要黯淡的问题了。宇宙加速膨胀、暗能量,都成了不必要的假设了。

克利夫敦的想法当然很大程度上只是一种猜测。即使他的理论能解释超新星变暗的问题,也无法解释其他支持暗能量存在的证据。

然而,不管对还是错,克利夫敦的做法给我们一个启示:在宇宙学上,即使像宇宙学原理这样的根本假设,也必须接受实验的检验。我们不应该仅仅因为珍爱某个假设,就视其为当然。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第10期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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