宇宙大尺度结构

可观测宇宙在大范围内质量和光的分布特征

宇宙大尺度结构，定义：天体在比星系团更大尺度上的分布和运动特征。

学科背景

宇宙里存在着由无数个星系聚集而成的巨大构造，这就是宇宙大尺度结构。

宇宙大尺度结构就像无数个气泡密密麻麻地重叠在一起。气泡的“膜”由若干星系聚集而成，根据其形状不同，可分为纤维状（细长结构）、片状（扁平状结构）等。天文学家把其中特别巨大的结构形象地称为“长城”（great wall）。气泡内部空荡荡的，几乎没有什么星系物质，被称为“巨洞”（void）。与相邻气泡重叠的部分则密集地分布着大量星系，类似这样的星系集团称为星系团（Galaxy Cluster）。若干星系团聚集在一起构成超星系团（supercluster），若干超星系团聚集在一起则构成超星系团复合体（supercluster compete）。

我们生活的太阳系位于银河系，银河系的直径大约10万光年。典型气泡结构的直径大约1亿光年，相当于银河系直径的1000倍。到2022年为止，虽然只发现了几个星系“长城”，但有的“长城”直径高达10亿光年。气泡结构彼此相连、延绵不断，庞大的星系在其中只是一个小点。

由星系聚集而成的气泡结构会以多种模式堆积，在“巨洞”深处也会有气泡结构，并分布少量星系。可以说，大尺度结构就像海绵一样，里面布满了大大小小的许多孔穴。

大尺度结构是如何形成的？研究认为，诞生之初的宇宙宛如一个火球，里面充满了炽热的气体，根本不存在恒星和星系，而且其物质分布非常均匀。诞生大约37万年后，宇宙中的物质密度只有区区0.01%的起伏。

早期宇宙中这一微不足道的密度差异却成为了大尺度结构的“种子”。随着时间的推移，宇宙中的密度差异越来越大，最后形成了星系及大尺度结构。

那么，早期宇宙物质这种密度起伏究竟是怎样形成的呢？科学家认为暴胀理论是解释这一疑问的最佳答案：诞生之初的宇宙是空空荡荡的，但其中充满了巨大的能量。这些能量导致了宇宙在极短的瞬间猛烈膨胀（暴胀）。在宇宙暴胀的过程中，有些地方出现了极其微小的能量差异。暴胀结束后，以能量为基础形成了物质，于是出现了极其微小的物质密度起伏。

宇宙之网

星系巡天的结果显示我们的宇宙似乎显示一种“泡沫网状”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，天文学上称为“巨洞”。这些巨洞的体积巨大，有些直径可达3亿光年，其中几乎空无一物。但是这样说并不正确，因为尽管我们看上去那里确实是什么也没有，但实际上这里充斥着暗物质。

巨墙、纤维状结构和空洞

结构的组织争议开始于恒星的层次，虽然多数的宇宙学家很少在天体物理学中研究这个尺度。恒星是星系内的组织，星系则组织成星系群、星系团和被巨大的空洞分隔的超星系团。在1989年之前，一般的假设是均巧的星系团是存在的最大结构，并且在宇宙的各个方向上的分布或多或少都是均匀的。然而，建立在红移观测的资料上，玛格利特·盖勒和约翰·修兹劳在1989年发现了长城，由星系组成的长5亿光年、宽2亿光年、厚1500万光年的结构。这个结构的存在跳脱了长久以来的认知，因为它需要星系在三个空间维度中的位置，就必需加入来自红移的星系距离资料。在2003年，另一个大尺度结构—史隆长城也被发现了。但是，在技术上并不认为这是一种结构，因为彼此在重力上并无关联，只是在测量的距离上都在那儿。在太空中最大的空洞之一是摩羯座的空洞，估计他的直径是2.3亿光年。

在2007年8月，一个可能的超级空洞在波江座被发现，他与WMAP冷斑点－在微波的天空中寒冷的一个区域－一致，但在现行受到偏爱的宇宙论模型下是极度不可能存在的。这个超级空洞造成的冷斑点，超乎想像的巨大，可能跨越了十亿光年的空间。

对宇宙进一步的研究看到巨大的像是气泡的空洞分隔开了片状结构和星系纤维，而超星系团就像是其中偶尔相对出现的密集节点。这种网络结构在2度视场星系红移巡天可以清楚的看见。在巡天勘测的内侧部分三度空间图的结构中显示，在附近的宇宙显露出令人印象深刻的结构。几个超星系团显示出，像是史隆长城，迄今所知道宇宙的最大结构。

大至矣哉

大至矣哉（End of Greatness）是在观测上发现的一个尺度，大致上是一亿秒差距（三亿光年），在这个尺度下的宇宙区块，依据宇宙学原理大致上是均质与各向同性的。超星系团和星系纤维在可见的领域明显是平均分布的，但在较小范围的勘察下是任意的。直到1990年代，红移巡天的勘察完成，这种尺度的结构才被完整的观察到。

观测

另一个大尺度结构的证据是莱曼α森林（Lyman alpha forest）。这是在类星体光谱的一群吸收谱线，被解释为在途中有许多稀薄但巨大的气体材料（几乎全都是氢的气体）存在，这些版材看起来与新星系的形成有所关联。

在描述宇宙的结构时必须格外的小心与谨慎，因为事实不是全如它们在外观上所呈现的。被重力扭曲的光线（重力透镜）所呈现的画面看起来与它们真正来源的方向是不同的，这是因为前景的天体（例如星系）弯曲了它们自己所在的空间造成的（一如广义相对论的预测），因而偏转了通过附近的光线。相当有用的，强大的重力透镜有时能将遥远的星系放大，使它们更容易被侦测到；但弱透镜（重力的切变）的干扰是很普通也很微妙的改变了观测到的宇宙大尺度结构。在2004年，对这种微妙切变的观察，显示值得做为宇宙模型测试的约束。

宇宙的大尺度结构看起来不同于只使用红移测量距离的星系。例如，在星系团背后的星系将被吸引著朝向它，而会朝向星系团落下，因此有轻微的蓝移（与没有星系团的情况比较）；靠近的这一侧，则会有轻微的红移。所以如果只用红移来测量距离，星系团的环境看起来会被压缩了一点。相对的效应会作用在星系团内部的星系：在星系团中的星系有一些不规则运动，而当这些不规则运动被转换成红移时，星系团看起来会被拉长。这创造出了所谓的上帝的手指：星系的长链指向地球的错觉。

邻近星系

2微米全天巡天的扩散源目录（XSC）超过150万个的星系，和由点源目录（PSC）得到接近5千万个星系（Galaxy，简称湦）内的星点导出的。星系的颜色是依据UGC目录、哈佛天文物理中心、Tully NBGC、LCRS、 2dFGRS、6dFGS和SDSS巡天等所得的红移（各种不同的数值经由NASA

在长蛇座超星系团的中心有一个被称为巨引源的异常重力，影响着数亿光年内星系的运动。这些星系的红移都符合哈勃定律，表示它们和我们是相互在退行的，但它们在红移上的变化充分的显示出与有与上万个星系等效的质量被集中在那儿。

巨引源是在1986年发现的，躺在长蛇座和人马座的方向上，距离在1亿5千万至2亿5千万光年之间（2亿5千万光年是最近的估计）。在那个方向的附近可以观测到大量的老星系，有许多星系与邻居的星系相互碰撞著，并且/或者辐射出大量的无线电波。

模型

在企图建立大尺度结构的模型上，宇宙论还有许多工作要做。使用大霹雳模型和假设建造宇宙的物质类型，可预期的是应该能预测物质的分布状态，并且与观测工作来比较对不同的宇宙学理论是背后的支撑还是驳斥。观测指出大多数的宇宙必须包含冷暗物质，假设热暗物质或重子暗物质的模型不能与观测吻合。宇宙微波背景辐射和高红移超新星也同样的对这些模型予以机乎全面性的压抑，并且这些方法也给了更多我们居住的是加速中的宇宙论述证据。

认识无止境

根据多年的探索，人类所能观察到的外湦（河外星系）大概有1000~2000亿个。仅仙女座银河就含有将近10000亿个星球。所以星球之于银河只不过是沧海一粟而已。宇宙中的星球多的就像河滩上的沙粒一样，是无法计数的。所以说宇宙无边无沿一点都不夸张。

关于宇宙尺度之谜，德国哲学家康德提出过著名的“时空悖论”，强调人们关于宇宙有限和无限的理解必然存在矛盾。而爱因斯坦1917年提出了有限宇宙模型，他提出：“应把宇宙看成是一个在空间尺度方面是有限的闭合的连续区”。并从宇宙物质均匀分布的前提下，在数学上建筑了一个“无界而有限”，“有限而闭合”的四维连续体。即宇宙是封闭的“宇宙球”。根据此观点，在宇宙上任意一点上发出的光线，将会沿着时空曲面在100亿年后返回到它的出发点。这样奇妙的学说，人们还不能完全理解。时空曲率是正还是负？还是零（爱氏本人趋于同意正曲率存在）？人们还无法确切回答。不过美国一位科学家利用电子计算机处理观察宇宙光时，确实看到了成光圈状的由某星系发出的光线，这无疑是对爱因斯坦“宇宙球 ”理论的支持和验证。最后，关于宇宙尺度等问题，还有待留出时间去探讨。但可以说，对宇宙的认识是无止境的。

研究成果

2024年9月，一个国际研究团队在理解宇宙的大尺度结构方面取得了重要进展，确定了被称为“引力盆地”的关键区域。研究成果发表在最新一期的《自然·天文学》杂志上。该研究基于广泛接受的Λ冷暗物质宇宙学标准模型。该模型认为宇宙中的大尺度结构起源于早期宇宙膨胀时的量子波动。

来自以色列希伯来大学、德国波茨坦物理研究所、法国巴黎萨克雷大学以及美国夏威夷大学的研究人员利用最新的宇宙流-4(CF4)数据，并采用汉密尔顿蒙特卡罗算法，重建了距离地球约10亿光年范围内的宇宙大尺度结构。这种方法允许科学家对宇宙的引力场进行概率性评估，从而识别出对星系运动至关重要的“引力盆地”。

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