新研究发现庞大宇宙泡状结构横跨10亿光年

Daphane

來源:大纪元





新研究发现了“重子声学振荡”（BAO）在宇宙诞生初期形成的一个巨大球形天体结构，其中心为“牧夫座超星系团”（Bootes superclusters），边缘处则包括“史隆长城”（Sloan Great Wall）、“北方长城”（CfA2 Great Wall）、和“武仙座超星系团”（Hercules Supercluster），外围有包含银河系在内的“拉尼亚凯亚超星系团”（Laniakea Supercluster）。(Frédéric Durillon, Animea Studio; Daniel Pomarède, IRFU, CEA University Paris-Saclay)

【大纪元2023年11月05日讯】（大纪元记者林达编译报导）新发现的一个巨大天体结构或可解释宇宙诞生初期所发生的物理过程。

宇宙制图师布伦特‧塔利（Brent Tully）在查看其团队最新绘制的本地宇宙中56,000个星系的位置及运动的高精度地图时，注意到一个巨大的环形结构，并称其为“霍莱拉纳”（Ho’oleilana，夏威夷语中意为苏醒时发出的低语）。

“其直径有十亿光年，”他在巴黎-萨克雷大学（Paris-Saclay University）的同事丹尼尔‧波马雷德（Daniel Pomarède）回忆道。 “这正符合我们对重子声学振荡（BAO，baryon acoustic oscillation）壳层的预期。我和塔利一起工作了13年，我们从未讨论过亲自发现它的可能性。”

BAO代表“重子声学振荡”，是一种在宇宙诞生初期产生的被冻结的声波。在大爆炸后的最初几十万年里，整个宇宙是一个类似于太阳内部的沸腾而致密的等离子体，其中的某些热点会散发出压力波。但是，一旦膨胀的宇宙达到 38 万岁，等离子体就会冷却并变薄，使这些压力波振荡失去了传播的介质。

这留下了以那些之前的热点为中心的巨大残余泡状结构，每个泡中都含有稍多的重子。重子是物质的基本组成成分，包括像中子和质子等。数十亿年来，重力将额外的物质拉入那些具有较多重子的区域，星系和星系团优先沿着其边界形成类似薄壳的结构，就像尘埃落在肥皂泡上一样。天文学家从对大片天空中数十万个星系的调查中瞥见了这些大规模的图案。但在塔利和波马雷德的发现之前，没有人发现过单独的BAO结构。

这个被科学家称为Ho’oleilana的结构，其大小与理论预测的BAO结构大小不吻合。这种差异可能意味着早期宇宙的条件并不完全符合天文学家的预期，或者该结构仅仅看上去像是 BAO，而实际上只是星系的偶然排列所致。塔利和波马雷德认为他们的发现可以用来探测宇宙的基本特性。但为此，他们还需要说服同行。

机缘巧合的惊人发现

波马雷德认为机缘巧合（serendipity）在其职业生涯中发挥了重要作用。许多年前，在非洲布基纳法索的首都瓦加杜古市的一次会议上，当塔利走近他时，他正在展示自己创建的用于可视化天文数据的计算机程序。塔利“看着我，说，‘我一生都梦想拥有这个软件，’”。

此后，两人合作详细绘制了宇宙环境地图。 2014年，他们共同发现了“拉尼亚凯亚超星系团”（Laniakea Supercluster），它由大约10万个近邻星系组成，绵延超过5亿光年，其中也包括银河系。澳大利亚昆士兰大学的卡兰‧豪利特（Cullan Howlett）说，最新的数据集使用多个望远镜获得的信息来测量天体的距离，其精准度达到0.001%。豪利特也是关于Ho’oleilana研究的共同作者。

正式在查看这个涵盖了之前的天体目录所没有的大量更遥远天体的数据集时，塔利发现了Ho’oleilana。这个球形的星系集合体距离地球大约 8.2 亿光年。在其中心坐落着“牧夫座超星系团”（Bootes superclusters），它是由大约十几个星系团组成的两个集合，而气泡的边缘则包括其它巨大的宇宙结构，例如“史隆长城”（Sloan Great Wall）、“北方长城”（CfA2 Great Wall）、和“武仙座超星系团”（Hercules Supercluster）。该团队的发现9月5日发表在《天体物理学期刊》（Astrophysical Journal）的两篇论文中。

任何单个BAO的大小都是由早期宇宙原始等离子体中的声速所决定的，这种声速大约是光速的一半。这产生了具有特定振幅的压力波，这些压力波因后来的宇宙膨胀而延伸到略小于5亿光年的范围。但Ho’oleilana的半径实际上比预期的半径大10%左右。对于塔利及其同事来说，这可能蕴含了新生宇宙的一些重要特性。

之前的研究曾经发现银河系两侧存在两个巨大气泡状天体结构，跨度为50,000光年。不过，完全不能跟新发现的横跨10亿光年的泡状天体结构Ho’oleilana相提并论。(NASA’s Goddard Space Flight Center)

根据宇宙学的标准模型，那些早期的热点应该随机散布在整个空间中。豪利特说：“但宇宙学基本模型可能无法预测某些内在模式，而这种模式可能导致我们附近的天体比理论预计的要大。”

人们认为，热点本身是在大爆炸后瞬间发生的暴胀期。在这个时期，整个宇宙的尺寸急剧膨胀。原始宇宙中的微观亚原子量子涨落会被放大到宏观水平，产生可能随机分布的冷热斑块，这些斑块后来形成了BAO。

豪利特表示，宇宙膨胀作为一个概念自20世纪80年代以来就已存在，“但对于其发生的具体细节，存在一百万种不同的理论。”原则上，对稍大的BAO进行解释或有助于物理学家缩小理论范围，经过这样筛选后如果能得到单一的理论是最理想的状况。

其它可能的理论诠释

当然， BAO的异常大小也可能将科学家引导至其它的可能结论。暗能量光谱仪器（DESI）项目的联合发言人、犹他大学的凯尔‧道森（Kyle Dawson）表示，约十亿光年大小的泡泡，其轮廓极其微弱，只有在远距离检查大量物体时才会变得明显。他更倾向于相信这一最新发现纯属巧合，是一种偶然的排列，看起来就像一个球体，其半径刚好约略符合理论对BAO的预期。

为了确定这种侥幸情况发生的频率，豪利特创建了计算机模拟，对宇宙进行了建模。在他所作的256次模拟中，只有两个模拟宇宙产生了类似于 BAO 的特征。即便如此，这两个模型也不如新发现的Ho’oleilana那样更像BAO。豪利特说，这表明宇宙中意外生成此类结构的可能性不到1%。

而道森则并不完全相信，“但仍有百分之一的可能性它会（自然）发生。”

DESI的另一位联合发言人娜塔莉‧帕兰克-德拉布勒耶 （Nathalie Palanque-Delabrouille）则认为该研究团队的论述颇有说服力。她说，“在假定的BAO形成后，星系和星团之间随后的引力相互作用可能会导致其大小扭曲。”她补充道，“不完全匹配的事实可能只是因为，在这种特殊情况下，星系的运动使得该特征不再完全符合预期。”

她建议，未来的观察可以尝试确定各个BAO之间存在多少差异，或许可以解释为什么这个BAO略有偏差。

DESI项目准备帮助解决这个问题，并可能成为寻找像Ho’oleilana这样的其它结构的关键。该暗能量光谱仪器安装在亚利桑那州图森市郊外沙漠中的基特峰山顶的四米大的迈尔望远镜上，正在绘制本地和遥远宇宙中4000万个星系的详细三维图。所调查的宇宙区域应该足够大，以便DESI能够详细查找和研究BAO。

波马雷德说，来自欧洲航天局最近发射的欧几里得卫星以及平方公里阵列等地面望远镜的更多信息将帮助宇宙学家绘制出更好的星系和星系团图。在从事这样的工作时，他常常会感觉自己正在参与人类探索周围宇宙环境的漫长过程，以便更好地了解人类在宇宙中的位置。

塔利也有同感。 “随着细节的填充，我们看到了更丰富的复杂性，”他说，“我们越来越欣赏我们称之为家的地方。”