在非常大的尺度上，宇宙是一个由相互交织的物质簇组成的网络，其中散布着巨大的空隙。图片来源：Volker Springel
作词：卜周
审稿人：clefable 2021 年，Alexia M. Lopez 正在英国中央兰开夏大学攻读研究生学位。当洛佩兹将注意力转向93亿光年外的牧夫座时，她惊讶地发现，一个由45到50个气体云组成的星团在宇宙中似乎排列成近乎对称的巨大新月形结构——巨大的弧线。相比之下，目前可观测宇宙的宽度约为940亿光年，而这条巨大的弧线在宇宙中跨越了33亿光年，几乎是可观测宇宙半径的1/15。对于洛佩兹来说，如此大规模的巨弧几乎可以称为“超现实”，它的存在似乎违反了宇宙应该是各向同性的宇宙学原理。 “我不得不掐自己一下，这是一个意外的发现，我根本不敢相信这个观察结果，”她在接受英国广播公司采访时感叹道。洛佩兹在2021年6月的美国天文学会议上介绍了巨型弧的发现，并于2022年10月在《英国天文学会月刊》（皇家天文学会月刊）上发表了结果。但洛佩兹与这个奇特结构的关系并不止于此。今年1月，在美国天文学会（AAS）第243次会议上，洛佩兹再次报告了一个大型结构————大环，它与之前发现的巨弧相对较近，位于牧夫座附近。这个巨环的直径约为13亿光年。如果我们能在地球上用肉眼看到它，它的大小大约是夜空中满月大小的15倍。看起来这个环是一个近乎完美的圆形，但根据洛佩兹的分析，它更像是一个螺旋线圈，只不过圆的孔面向地球。虽然巨环的直径比巨弧要小很多，但是它的周长却和巨弧差不多。
如果在地球上可以看到巨大的弧线和巨大的环，它们在天空中的大致分布。资料来源：Stellarium/中央兰开夏大学
然而，这些壮观的大型结构不仅在尺寸上引人注目，更重要的是，它们的存在似乎对天文学家提出了挑战：宇宙学的标准模型可能需要重写。或修正。
宇宙是均匀的吗.如果在足够大的尺度上观察整个宇宙，一般认为物质和时空的分布是均匀且各向同性的。也可以说宇宙是光滑平坦的。这样的描述被称为宇宙学原理，它与爱因斯坦的广义相对论一起构成了宇宙学标准模型的理论框架基础。均匀性和各向同性意味着无论我们在宇宙中的哪个位置，从任何方向看宇宙都应该是相同的。虽然宇宙学原理描述宇宙是均匀的，但如果我们像变焦镜头一样“聚焦”然后逐渐“缩小”来观察宇宙，我们会看到多个行星绕着一颗恒星运行，而这颗恒星由数十亿颗恒星组成。一个星系，数千个星系组成一个星系团，星系团组成一个超星系团。这些星系彼此靠近，并大规模地形成细丝。它们穿梭于浩瀚的宇宙空间，相互交织、连接，形成了一张布满星际空间的3D宇宙网络。细丝自然是物质聚集的地方，其余的都是物质密度极低的中空区域。从这个角度来看，宇宙还算均匀吗？
宇宙网络艺术概念图像。图片来源：NASA
准确地说，均匀性取决于观察的规模。如果把宇宙比作海洋，海洋的表面近看会显得粗糙（相对而言），但远看则光滑如镜。从大范围来看，宇宙网中物质的分布确实是均匀的。但在相对较小的尺度上，网络结构本身表明物质分布不均匀。事实上，像宇宙网这样的大规模结构是令科学家们困惑的根源。 —— 物质分布不均匀从何而来？宇宙是如何演化成我们今天所观察到的样子的？为此，天文学家一直在尝试更精确地测量宇宙中的许多天体，无论是恒星、星系还是遥远的星系团，希望能够创建精确的宇宙地图，加深我们对宇宙的理解。斯隆数字巡天（SDSS）就是从这个项目中诞生的，洛佩兹在观察过去SDSS数据中类星体的吸收线时发现了这些不合理的结构。洛佩兹发现的“巨弧”和“巨环”就像光滑表面上一些显眼的“凹凸”。这两个结构非常接近，甚至可以合并成一个非常大的结构。 “问题是，这么大的结构如何形成？”英国华威大学物理系教授唐·波拉科（Don Pollacco）说道。很难具体想象这种结构的形成机制，但一定与宇宙中大尺度结构的形成过程有关。根据宇宙学的标准模型，当宇宙开始膨胀时，物质密度的微小扰动会导致物质在某些区域聚集。经过数十亿年的演化，引力最终导致这些团块凝结成恒星和星系，最终形成我们观察到的结构。宇宙的大尺度结构。但英国牛津大学理论物理学教授苏比尔·萨卡(Subir Sarkar) 表示，这个过程将需要足够长的时间。宇宙的年龄是有限的，因此理论上还不足以形成直径超过12亿光年的物体。那么，如何解释规模超过30亿光年的巨弧和环的形成过程可能还需要进一步讨论。
充满庞然大物然而，洛佩兹的“弧”和“环”并不是天文学家发现的唯一大型结构。事实上，早在1989年，就有两位天文学家观测到了宇宙中的一条星系“长城”，称为CfA2长城。这堵星系墙长约5亿光年，宽约3亿光年，厚约1500万光年。后来在2003年，天文学家发现了一条更长的星系墙，即斯隆长城，长约15亿光年。近十年来，随着天文观测技术的快速发展，天文学家发现这些庞然大物的速度也不断加快。 2016年，天文学家发现了BOSS长城，它横跨10亿光年，由830个独立星系组成。然而，目前最大的大型结构是2013年发现的大力神-北冕座长城，其跨度达到100亿光年，超过了可观测宇宙的大小。十分之一。
图片来源：维基百科
这些庞然大物可以说是宇宙中最大、最重的结构。它们大多超出了理论上“可能形成”的规模极限，迫使标准模型不断修订。 （这个过程时有发生，比如上个世纪有两次修改，一次引入暗物质，一次引入暗能量。）事实上，在发现诸如斯隆沃尔早年的天文学专家预测，未来更深入的星系调查将使我们看到更多类似的结构，例如巨弧和巨环。然而，一些科学家对洛佩兹的研究提出质疑。当我们仰望天空，观察各种形态的云彩时，我们可以看到字母“A、B”的形状，甚至可以看到各种动物。这是因为我们非常擅长从随机对象中提取模式，但这并不是真正的结构。所谓的星系团“弧”或“环”排列只是天体的偶然排列吗？在2021 年的Giant Arc 研究中，洛佩兹进行了一系列统计测试，以99.9997% 的置信度证明了他的结果。萨卡说，在这种情况下，它可以被认为是一条真正的超星系团链。新发布的巨环研究尚未经过同行评审，可能需要进一步验证。
本文来自微信公众号“全球科学”。
论文链接：
https://academic.oup.com/mnras/article/516/2/1557/6657809#371685760
https://arxiv.org/abs/2402.07591
参考链接：
https://www.uclan.ac.uk/news/big-ring-in-the-sky
https://www.uclan.ac.uk/news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assminations-about-the-universe
http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics
https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos
https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos
https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml