2021 年,天文學(xué)家在牧夫座附近發(fā)現(xiàn)了一個巨大的弧形結(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候,第二個巨型結(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,而是一個完整的圓環(huán)。該圓環(huán)直徑 13 億光年,周長達到了 40 億光年。
要知道,超星系團已經(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(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,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頭,同時還能保持如此規(guī)整的外形,實在出乎意料。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,也是一個個的星系。不過這些星系有個特點,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古時期,因此在距離上離我們十分遙遠。
當(dāng)這些類星體被前景的暗星系擋住時,它的光就會變暗。周圍的類星體都很亮,唯獨這幾個偏暗,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)家便確認了這些遮擋物就是一個個的星系。同時,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,這意味著它們存在于宇宙的同一時期。當(dāng)時的宇宙只有現(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、星系甚至是星系團等天體。即使到了中期,理論上那時的宇宙也不應(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,這又是對當(dāng)今宇宙學(xué)的一次挑戰(zhàn)。
目前,研究人員對這兩個結(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)生了極強的輻射壓,這些光子推著重子物質(zhì)向前運動,于是它們向四面八方擴散開來,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”的密度波動符合一些聲學(xué)特征,因此它被稱為“重子聲學(xué)振蕩”。
因為這些“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)過仔細分析,研究人員發(fā)現(xiàn)了一個嚴重的問題: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,這個東西就更抽象了,它是一種宇宙早期空間相變產(chǎn)生的拓撲缺陷,是一種一維線性“物體”。表現(xiàn)出來就是一根只有質(zhì)子粗細,但是可以被拉長到光年尺度的“細絲”。該“細絲”雖然細,但它蘊含的能量驚人,因此它的運動可以產(chǎn)生極強的引力波。這些引力波會對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,屆時的宇宙和大爆炸的奇點已經(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),此時規(guī)模什么的也就無關(guān)緊要了。屆時的整個宇宙將可以被視為下一個宇宙的奇點,重新開始一輪新的“大爆炸”,從而進入下一個循環(huán)。
重要的是,彭羅斯認為,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),這個話題還挺大,后面有機會也專門來說。
目前主流學(xué)界對共形循環(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)模型對所有已觀察到的現(xiàn)象擁有無以輪比的解釋能力,這點其他任何宇宙學(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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