402com永利1站:宇宙十大“巨兽”(下)

原标题:另一个宇宙入侵的产物!天文学家:它违背了宇宙学原理

对于渺小的人类而言,宇宙之大,是我们无法想象的,而宇宙中藏着的一些超大体型的“巨兽”,也让我们惊呼:难以置信!现在,让我们接着上一期,继续来看看还有哪些“巨兽”。

星系团是宇宙中最大的引力束缚结构,它们是研究星系演化和宇宙学的有力工具。在人们已经发现的较成熟星系团中,最遥远的已达110亿光年之外(即宇宙学红移2.5左右)。近年来,越来越多的工作开始搜寻更遥远的原初星系团,即星系团的前身。这些原初星系团能为研究早期宇宙结构形成和演化提供理想平台。但是,寻找那些极早期、还在形成过程中的大型原初星系团非常困难。

根据宇宙学原理,尽管宇宙中存在大量星系、星系团等结构,但在10亿光年的大尺度上,宇宙应该是均一的。然而,陆续涌现的天文学观测却向其提出了挑战。如果宇宙学原理是对的,那么一个惊悚的候选理论是:在更高维度的空间里,另一个宇宙与我们的宇宙相遇,产生了这些横亘几十亿光年的神秘物体。

6、巨大的伽马射线暴环

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在星罗密布的星系团间,一个直径20亿光年的巨型空洞;

科学家除了通过伽马射线暴发现武仙-北冕座长城之外,还发现了一个奇特的巨大结构——巨大的伽马射线暴环。伽马射线暴是一种罕见的现象,伽马射线暴呈环状结构分布更是非常罕见,这样一个伽马射线暴环形成的概率只是两万分之一。

艺术想象图:127亿光年外的巨型原初星系团

由巨大的类星体构成,横亘40亿光年的弦;

该伽马射线暴环位于距离我们大约70亿光年远的区域,在那里科学家观测到了9个脉冲串,这9个脉冲串形成一个跨度超过50亿光年的环。不过,“环”只是从地球上看到的一种视觉效果。那么,真实的情况到底是怎样的呢?

最近,由北京大学科维理天文研究所江林华研究员领衔的国际团队发现了宇宙早期一个超大质量的原初星系团。该原初星系团位于红移5.7处:那时的宇宙年龄仅为10亿年,即现在宇宙年龄的7%左右,其大小约353立方共动兆秒差距(一兆秒差距大约为3.26百万光年)。该原初星系团最终会塌缩为质量约3.6×1015太阳质量的星系团,使之成为目前已知宇宙早期最大的原初星系团。

由高能的伽马射线暴构成,占据可观测宇宙6%的巨大的环……

理论上,大型的伽马射线暴环可能是一个超大天体连续爆发的投影,在不到2.5亿年的时间里,这个天体发生了一次又一次耀眼的伽马射线暴,但我们从地球上只能观测到明显的环状结构。如果是这样,那么这个超大天体究竟是什么构成的呢?一种解释是,这个天体可能是存在于星系周围的大量暗物质。科学家在研究中曾经发现,银河系中央暗物质聚集区发射出神秘的伽马射线,因此推测伽马射线暴可能是暗物质相互碰撞产生的。不过这还只是一个理论。研究者们目前还不清楚这种大型的伽马射线暴环是如何形成的。

江林华及其团队利用位于智利的麦哲伦望远镜对大约四平方度的天区进行深度星系光谱巡天,获得一个均匀的高红移星系大样本,包括红移5.7左右的莱曼发射线星系。他们观测了五个著名的深场,并在一个称为SXDS的深场中发现了一个红移为5.7的、巨大的星系高密度天区。随后他们利用光谱观测证实了至少41个较亮的莱曼发射线星系。上述原初星系团(简称SXDS_gPC)位于该天区的中心区域,尺度约为353立方共动兆秒差距,其星系空间密度为红移5.7处平均密度的6.6倍左右。据研究表明,目前还尚未发现在高红移处具有如此大尺度和高密度的原初星系团。而SXDS_gPC的大尺度和高密度远超经典球状引力塌缩理论框架下的塌缩条件,同时,宇宙学数值模拟结果也表明,SXDS_gPC的结构将不可避免地塌缩成一个巨型星系团。江林华团队采用两种方法估计SXDS_gPC塌缩后的质量,包括重子质量和暗物质质量。结果表明SXDS_gPC将塌缩成一个质量约为3.6×1015太阳质量的星系团。该质量与现已知的、低红移处的最大星系团或者原初星系团质量相似,但远大于所有已知的高红移原初星系团质量。

随着我们对宇宙的观测变得更加清楚,天文学家发现了一系列巨大的结构,它们比我们以前所知的任何天体都要大。关于这些结构的问题只有一个:它们原本都不应存在。

7、巨型莱曼-阿尔法气泡

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402com永利1站,巨型结构挑战宇宙学原理?

与成熟的星系、星系团等不同,在宇宙的更深处,日本的科学家发现了一个巨大的星系“育婴袋”。这是一个由大量气体、尘埃和星系组成的巨型“气泡”,这种结构被称为“莱曼-阿尔法气泡”,距离我们有115亿光年远。从外形上看,这个气泡散发着绿色的光,其中有3条明显的带状结构,看起来就像一只巨型的绿色水母。而那3条“水母触手”中的星系密度很大——是宇宙中平均星系密度的4倍。更让科学家惊讶的是,这个巨型气泡居然有2亿光年宽。

原初星系团SXDS_gPC的所在天区示意图:蓝点和红点表示已经证实的莱曼发射线星系;青色区域表示SXDS_gPC,其星系密度为平均密度的6.6倍,将塌缩成一个质量约为3.6×1015太阳质量的星系团

地球在宇宙中的位置并不特殊。这一观点经哥白尼提出后,已经成了天文学家的基本共识。此后,天文学家该原理的适用范围延伸至整个宇宙:宇宙中没有任何特殊的位置,这也被称作宇宙学原理。在恒星系统、星系和星系团层面上或许有一些不均匀的地方,但是在更大的尺度上,宇宙应该是均一的。宇宙中不应该有星系构成的巨大的墙,不应该有空荡荡的地方,也不应该出现巨大的结构。

科学家推测,这个巨型莱曼-阿尔法气泡诞生于宇宙大爆炸之后20亿年左右,当时的宇宙还处于婴儿期。在那个时期,大质量恒星发生超新星爆发,使周围产生气泡状的气体云,形成莱曼-阿尔法气泡。

冷暗物质宇宙学模型(即现在的标准宇宙模型)预言宇宙中较小的结构通过合并形成更大的结构,也就是说,最大的结构往往形成于宇宙演化的后期。而江林华团队发现的这个巨型原初星系团已经在红移5.7处(127亿光年之外)存在,这相当令人意外。尽管该原初星系团还没有达到引力维里化,但它很高的密度表明该高密度区形成于更早的时期。此类天体将为研究早期宇宙中的结构形成提供一个有力的工具。

因此,最近涌现出的发现搞得天文学家们有点紧张。但是解决方法也同样充满争议。有研究者宣称这些巨大的结构是另一个维度的投影。如果他是对的,我们将能够首次证实,在我们的宇宙之外还有另一个宇宙存在。而且由于这些巨大的结构并不是我们宇宙中的实体,宇宙学原理也依然成立。

而观测过程中科学家还发现,在这个巨型的莱曼-阿尔法气泡中有许多仍处于发育初期的星系,这个结构所散发出的明亮绿色光,正是这些隐藏其间的年轻的星系产生的散射光。他们认为,这个气泡就像一个巨大的“育婴袋”,正在孕育着大量的星系,在遥远的未来,将会有更多的星系从那里诞生。

2018年10月15日,该工作以“A giant protocluster of galaxies at redshift
5.7”为题在线发表在《自然-天文》(Nature
Astronomy
,2018,DOI:10.1038/s41550-018-0587-9),并被选为当天唯一的高亮(highlight)文章。江林华为文章的第一作者兼通讯作者。这项研究得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。

宇宙中存在特殊区域的想法是为现代宇宙学所不容的。英国朴茨茅斯大学宇宙学家Seshadri
Nadathur说:“自文艺复兴以来,我们所有的工作都是反对这一想法的。”这一观点也使得用广义相对论来解释宇宙演化的任务变得更加复杂。“爱因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。”Nadathur说。但至少目前,宇宙学原理还仅仅是一种猜想。没有任何证据表明这是对的,而已有的证据似乎越来越多地反对这一观点。

8、巨型超大类星体群

相关报道:一起来看宇宙“幼升小”时的模样——科学家找到127亿年前的巨大原初星系团《中国科学报》(2018-10-17
第1版 要闻)

就拿那个20亿光年宽的巨型空洞来说,它的发现者之一,西班牙巴塞罗那高能物理研究所的András
Kovács说:“那部分宇宙的星系数目比平均值要少10000个。”根据最新的数据,天文学家相信宇宙学原理在大约十亿光年的尺度下一定是对的。在这一尺度下,任意给定区域的物质多少都是相近的。这个巨洞的宽度几乎超过这一界限一倍,看起来十分显眼。Kovács团队称这个洞为超巨洞,并相信这个洞有可能解释宇宙微波背景辐射中巨大的冷斑,一个困扰天文学家十几年的问题。

同样可能会孕育出星系的还有由类星体聚集形成的巨型超大类星体群。类星体是能量极高的活动星系核,它由超大质量黑洞驱动,能量输出可达整个银河系的1000倍。科学家认为,类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。随着星系核心附近“燃料”逐渐耗尽,类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。通常一个典型的超大类星体群长度约16亿光年,然而,在2013年,科学家却发现了一个狭长的、绵延了40亿光年的巨型超大类星体群,它由73个类星体组成,距离地球90亿光年远。

责编:白杨

超巨洞还不算是最大的问题。2012年,英国中央兰开夏大学的Roger
Clowes团队宣布发现了一个40亿光年长的巨大线状结构,比超巨洞还要大一倍多。“我们当时想‘这是什么?’很明显那是非常不寻常的东西。”Clowes说。这一次并不是空间中有一个空洞,而是有的位置异常拥挤。这一结构被称作巨型超大类星体群,包含73个类星体(类星体是指非常遥远,极度明亮的活动星系核)。天文学家在20世纪80年代早期就知道类星体总是聚在一起,但是尺度如此巨大的类星体群还前所未有。

这个巨型超大类星体群的发现其实纯属偶然,科学家是在分析关于斯隆数字巡天项目收集到的数据时发现了它。也可以说这个结构不是科学家直接观测到的,而是推算出来的结构。

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科学家在确定巨型超大类星体群时采用的是一种被称为“朋友的朋友”的算法。这种算法首先以一个类星体的位置为基础划出一个给定大小(通常是100百万秒差距为直径,1秒差距=3.2616光年)的球体,如果发现其他类星体出现在这个范围内,那么它们就会被认为是“朋友”,同属于同一个类星体集群。以此类推,直到不再有类星体出现在规定范围内,而所有被圈入的类星体就属于同一个类星体群。

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