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2021 年，天文學(xué)家在牧夫座附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的弧形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)異常巨大，比銀河系大了上萬倍，寬度足有 33 億光年，已經(jīng)達(dá)到了可觀測宇宙半徑的 1/15！
僅僅過了兩年，當(dāng)天文學(xué)家們還一頭霧水的時(shí)候，第二個(gè)巨型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了。該結(jié)構(gòu)同樣在牧夫座旁邊，距離先前的巨弧結(jié)構(gòu)非常近。不同的是，這次它不再是一段弧線，而是一個(gè)完整的圓環(huán)。該圓環(huán)直徑 13 億光年，周長達(dá)到了 40 億光年。
要知道，超星系團(tuán)已經(jīng)是宇宙中屈指可數(shù)的龐然大物了，它們往往也就幾億光年。比如銀河系所在的室女座超星系團(tuán)（Virgo SC），直徑剛剛超過 1 億光年。要和今天這倆龐然大物相提并論，恐怕只有星系長城那種更大的結(jié)構(gòu)才行。
即便如此，像是著名的史隆長城，那長度也不過十幾億光年。關(guān)鍵詭異的地方在于，星系長城是早年間由引力作用聚集起來的龐大星系群。由于星系群之間的聚集完全隨機(jī)，所以星系長城的外形通常并不規(guī)則。
反觀巨弧和巨環(huán)，它倆不但有著比肩星系長城的個(gè)頭，同時(shí)還能保持如此規(guī)整的外形，實(shí)在出乎意料。所以它倆到底是什么東西，又是哪來的呢？
首先，組成這種龐然大物的不是別的東西，也是一個(gè)個(gè)的星系。不過這些星系有個(gè)特點(diǎn)，就像我們上次介紹過的暗星系一樣，它們的亮度極低，甚至比夜空本身的背景亮度還要低，難怪此前一直沒被發(fā)現(xiàn)。這次被發(fā)現(xiàn)，還得多虧了它們后方的類星體。
類星體是一種極度明亮的活躍星系核，中心是一個(gè)正在大吃特吃的超大質(zhì)量黑洞。它們所在的星系通常都是些年輕的星系幼崽，往往存在于宇宙的遠(yuǎn)古時(shí)期，因此在距離上離我們十分遙遠(yuǎn)。
當(dāng)這些類星體被前景的暗星系擋住時(shí)，它的光就會(huì)變暗。周圍的類星體都很亮，唯獨(dú)這幾個(gè)偏暗，很明顯它們應(yīng)該是被什么東西擋住了。完了再借助光譜數(shù)據(jù)，很快天文學(xué)家便確認(rèn)了這些遮擋物就是一個(gè)個(gè)的星系。同時(shí)，他們還繪制出了這些星系的輪廓，于是巨大的弧線和圓環(huán)便出現(xiàn)在了人們眼前。
通過進(jìn)一步分析天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，巨弧和巨環(huán)它倆離我們差不多遠(yuǎn)，這意味著它們存在于宇宙的同一時(shí)期。當(dāng)時(shí)的宇宙只有現(xiàn)在年齡的一半，大小也比現(xiàn)在小得多，于是問題出現(xiàn)了：根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，宇宙越是早期內(nèi)部同質(zhì)化越明顯，越不容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的大尺度天體。
比如在大爆炸伊始，當(dāng)時(shí)宇宙中除了“熱氣”還沒有任何天體。后來隨著環(huán)境溫度的下降，慢慢才出現(xiàn)了恒星、星系甚至是星系團(tuán)等天體。即使到了中期，理論上那時(shí)的宇宙也不應(yīng)該出現(xiàn)跨度超過 12 億光年的結(jié)構(gòu)，但是巨弧和巨環(huán)很明顯都超過了該尺寸。所以，這又是對(duì)當(dāng)今宇宙學(xué)的一次挑戰(zhàn)。
目前，研究人員對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)給出了三種解釋，其中第三種解釋尤為引人遐想。
鑒于它規(guī)則的圓形外形，起初研究人員認(rèn)為，這類大型結(jié)構(gòu)可能源自重子聲學(xué)振蕩（BAO），它也是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型允許存在的一種大尺度結(jié)構(gòu)。
關(guān)于重子聲學(xué)振蕩之前曾專門做過一期，簡單說就是：你可以把大爆炸最初的宇宙想象成一片海洋，海水就是剛剛形成的質(zhì)子、中子這些重子物質(zhì)。隨后高能光子產(chǎn)生了極強(qiáng)的輻射壓，這些光子推著重子物質(zhì)向前運(yùn)動(dòng)，于是它們向四面八方擴(kuò)散開來，形成了一種中間空、邊緣密類似于氣泡的結(jié)構(gòu)。由于這種“氣泡”的密度波動(dòng)符合一些聲學(xué)特征，因此它被稱為“重子聲學(xué)振蕩”。
因?yàn)檫@些“氣泡”誕生于宇宙的極早期（比背景輻射還要早），所以隨著空間的膨脹，如今的“氣泡”已經(jīng)變得非常巨大。大到什么程度呢？武仙-北冕座長城聽說過吧，一個(gè)跨度上百億光年的星系長城，它只是這種“氣泡”氣泡壁的一部分！這么看來，這倆大家伙還真有幾分相似。
然而經(jīng)過仔細(xì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的問題：重子聲學(xué)振蕩產(chǎn)生的“氣泡”是三維的，但巨弧和巨環(huán)都是二維結(jié)構(gòu)！也就是說，我們看到的環(huán)并不是球殼的邊緣，它真的就是一個(gè)圓環(huán)。這么看來它們又不像是重子聲學(xué)振蕩產(chǎn)生的。
隨后研究人員又給出了另一種解釋：它們可能是宇宙弦造成的。
說到宇宙弦，這個(gè)東西就更抽象了，它是一種宇宙早期空間相變產(chǎn)生的拓?fù)淙毕荩且环N一維線性“物體”。表現(xiàn)出來就是一根只有質(zhì)子粗細(xì)，但是可以被拉長到光年尺度的“細(xì)絲”。該“細(xì)絲”雖然細(xì)，但它蘊(yùn)含的能量驚人，因此它的運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生極強(qiáng)的引力波。這些引力波會(huì)對(duì)空間以及空間中的物質(zhì)帶來影響，巨弧和巨環(huán)或許就是在它的影響下形成的。
那這種宇宙弦到底是一種已經(jīng)被證實(shí)的存在，還是說只是一種理論預(yù)測？關(guān)于它的來龍去脈，下回咱們專門來說。
無論是宇宙弦還是重子聲學(xué)振蕩，這些解釋終究還是在宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)。但是研究人員也考慮了超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新解釋，比如彭羅斯的共形循環(huán)宇宙學(xué) (CCC) 模型。
從名字可以看出，該模型中宇宙經(jīng)歷了無數(shù)次的循環(huán)。但是和“大擠壓（Big Crunch）”的循環(huán)假說不同，該模型中的宇宙并不是先經(jīng)歷“坍縮”再重新“爆炸”，而是從始至終都在無限膨脹。
可是一直膨脹的話還怎么循環(huán)呢？彭羅斯認(rèn)為，到了宇宙末期，當(dāng)所有物質(zhì)都衰減到一定程度，從數(shù)學(xué)角度來說，屆時(shí)的宇宙和大爆炸的奇點(diǎn)已經(jīng)沒有本質(zhì)區(qū)別了，唯一的不同只是規(guī)模不同。但倘若宇宙中已經(jīng)沒有了物質(zhì)，此時(shí)規(guī)模什么的也就無關(guān)緊要了。屆時(shí)的整個(gè)宇宙將可以被視為下一個(gè)宇宙的奇點(diǎn)，重新開始一輪新的“大爆炸”，從而進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
重要的是，彭羅斯認(rèn)為，雖然新的宇宙幾乎是一次全新的開始，但新宇宙仍然可能保留著上一個(gè)宇宙留下的印記，比如宇宙微波背景中的“冷斑（CMB cold spot）”以及今天我們說的巨弧和巨環(huán)。
關(guān)于共形循環(huán)宇宙學(xué)，這個(gè)話題還挺大，后面有機(jī)會(huì)也專門來說。
目前主流學(xué)界對(duì)共形循環(huán)宇宙學(xué)模型仍然持懷疑態(tài)度，畢竟，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)所有已觀察到的現(xiàn)象擁有無以輪比的解釋能力，這點(diǎn)其他任何宇宙學(xué)模型都望塵莫及，包括共形循環(huán)宇宙學(xué)模型。
然而，再好的模型也有不完美的地方。隨著巨弧、巨環(huán)這樣出乎意料的發(fā)現(xiàn)越來越多，它們就像一片片“烏云”出現(xiàn)在當(dāng)今的宇宙學(xué)頭頂。這也預(yù)示著，標(biāo)準(zhǔn)模型或許終將會(huì)迎來被替代的那一天。
[1] UCLan: Discovery of a Giant Arc in distant space adds to challenges to basic assumptions about the Universe
[2] UCLan: A Big Cosmological Mystery
[3] YouTube: AAS 243 Press Conference: Oddities in the Sky
[4] Wikipedia: Conformal cyclic cosmology
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