從量子波動到星系形成：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，我是中國科學(xué)院國家天文臺的茍利軍。今天，我就和大家聊聊這個和宇宙結(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。這些微小的密度擾動在引力的作用下，隨著時(shí)間逐漸增長，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到暗物質(zhì)，但其引力效應(yīng)對宇宙結(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π窍颠\(yùn)動至關(guān)重要。引力盆地可以被理解為宇宙中引力勢能較低的區(qū)域，就像地形中的洼地會吸引水流匯聚一樣，這些區(qū)域會吸引周圍的物質(zhì)向其運(yùn)動。由于引力的作用，星系和物質(zhì)會自然地沿著引力梯度向引力盆地移動。這種物質(zhì)的流動被稱為宇宙流，反映了物質(zhì)在大尺度引力場中的運(yùn)動。

引力盆地對星系運(yùn)動的重要性在于，它們主導(dǎo)了物質(zhì)在宇宙中的流動方向和速度。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)測星系的運(yùn)動軌跡和速度分布。這對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，一個包含以色列、德國、法國以及美國科學(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)家對宇宙的引力場進(jìn)行概率性評估，從而更準(zhǔn)確地識別出對星系運(yùn)動至關(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方式。這對于驗(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。引力盆地的識別幫助我們理解了星系如何在引力的作用下移動和聚集，從而形成復(fù)雜的宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這對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)研究加深了我們對宇宙復(fù)雜引力動力學(xué)的理解，也讓我們更清楚地認(rèn)識到塑造宇宙結(jié)構(gòu)的力量。識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·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍

審核：韓文標(biāo) 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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