宇宙中充滿了數(shù)千億個(gè)星系，但它們?cè)诳臻g中的分布遠(yuǎn)非均勻。為什么我們今天在宇宙中看到了如此多的結(jié)構(gòu)，它是如何形成和生長(zhǎng)的？

在智利卡內(nèi)基拉斯坎帕納斯天文臺(tái)使用麥哲倫·巴德望遠(yuǎn)鏡對(duì)數(shù)以萬計(jì)的星系進(jìn)行了為期10年的觀測(cè)，提供了一種新的方法來回答這個(gè)根本的謎團(tuán)，由卡內(nèi)基大學(xué)丹尼爾·凱爾森領(lǐng)導(dǎo)的研究成果現(xiàn)發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。

你怎么形容這種難以形容的東西？凱爾森解釋道：采取一種全新的方式來解決這個(gè)問題。合著者安德魯·本森說：研究策略為我們提供了新的、直觀的洞察力，讓我們了解到從宇宙最早的時(shí)候起，引力是如何驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)的，這是對(duì)宇宙學(xué)支柱之一的直接、基于觀測(cè)的測(cè)試?？▋?nèi)基-斯皮策-iMacs紅移觀測(cè)的目的是：研究過去90億年來星系增長(zhǎng)與周圍環(huán)境的關(guān)系，當(dāng)時(shí)定義了現(xiàn)代星系的外觀形狀。

圖示：紫色表示低密度區(qū)域，紅色表示高密度區(qū)域；回溯時(shí)間，研究發(fā)現(xiàn)揭示了密度波動(dòng)（最右邊的紫色和藍(lán)色）創(chuàng)造了宇宙最早的結(jié)構(gòu)，這與從大爆炸余輝中了解到的古代宇宙一致，這被稱之為宇宙微波背景(最右邊的黃色和綠色)，研究通過測(cè)量近10萬個(gè)星系的距離和質(zhì)量得出了結(jié)果，這些星系可以追溯到宇宙只有45億歲的時(shí)候，卡內(nèi)基-斯皮策-iMacs紅移觀測(cè)研究的大約35000個(gè)星系在這里被表示為小球體。

第一批星系是在大爆炸幾億年后形成，大爆炸開始時(shí)宇宙是一個(gè)由極高能量粒子組成熱而渾濁的湯。當(dāng)這種物質(zhì)從最初的爆炸向外膨脹時(shí)，它冷卻了，粒子聚合成了中性氫氣。一些“斑塊”比其他“斑塊”密度更大，最終，它們的引力克服了宇宙向外膨脹的軌跡，物質(zhì)向內(nèi)塌陷，形成了宇宙中的第一團(tuán)結(jié)構(gòu)。密度差異使得一些地方可以形成大大小小的結(jié)構(gòu)，而另一些地方卻不能形成，這一直是一個(gè)令人著迷的話題。

但到目前為止，天文學(xué)家對(duì)宇宙過去130億年來，宇宙結(jié)構(gòu)如何增長(zhǎng)進(jìn)行建模的能力，面臨著數(shù)學(xué)上的限制。宇宙中所有粒子之間發(fā)生的引力相互作用太復(fù)雜了，無法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)來解釋。因此，天文學(xué)家要么使用數(shù)學(xué)近似（這損害了模型的準(zhǔn)確性）要么使用大型計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)星系之間的所有相互作用進(jìn)行數(shù)字建模，但不是所有粒子之間發(fā)生的所有相互作用，因?yàn)檫@被認(rèn)為過于復(fù)雜，研究的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是統(tǒng)計(jì)在大量遙遠(yuǎn)星系中發(fā)現(xiàn)的恒星質(zhì)量。

首次證明

然后利用這些信息來制定一種新的方法來理解宇宙中結(jié)構(gòu)是如何形成。研究小組還包括卡內(nèi)基的路易斯·阿布拉姆森、香農(nóng)·帕特爾、斯蒂芬·謝克特曼、艾倫·德雷斯勒、帕特里克·麥卡錫和約翰·S·馬爾凱，以及優(yōu)步技術(shù)公司(Uber Technologies)的里克·威廉姆斯，他們首次證明了單個(gè)原型結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)可以計(jì)算出來，然后在整個(gè)空間進(jìn)行平均。研究表明：密度越大的團(tuán)塊生長(zhǎng)越快，密度越低的團(tuán)塊生長(zhǎng)越慢。

然后，研究人員能夠反向工作，并確定密度波動(dòng)的原始分布和增長(zhǎng)率，這最終將成為決定我們今天所看到星系分布的大尺度結(jié)構(gòu)。從本質(zhì)上說，研究提供了一種簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的描述：說明了密度波動(dòng)為什么以及如何以它們?cè)谡鎸?shí)宇宙中的方式增長(zhǎng)，以及在基于計(jì)算的研究，提供了一種支持我們對(duì)宇宙幼年的理解，凱爾森補(bǔ)表示：它就是這么簡(jiǎn)單，真的很優(yōu)雅。如果沒有在拉斯坎帕納斯安排非常多的觀察之夜，這些發(fā)現(xiàn)是不可能的。

天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)約翰·馬爾柴伊說：許多機(jī)構(gòu)沒有能力獨(dú)自承擔(dān)這種規(guī)模的項(xiàng)目，但多虧了我們的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡，才得以進(jìn)行這項(xiàng)觀測(cè)研究，并創(chuàng)造了這種新穎的方法來回答一個(gè)經(jīng)典問題。凱爾森也表示：雖然毫無疑問，這個(gè)項(xiàng)目需要卡內(nèi)基這樣的機(jī)構(gòu)資源，但如果沒有我們能夠在基特峰和塞羅托洛獲得的大量額外紅外圖像，其研究也不可能發(fā)生，這兩個(gè)地方都是NSF國(guó)家光學(xué)-紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室的一部分。

博科園｜研究/來自：卡內(nèi)基科學(xué)研究所

參考期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》

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