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宇宙在大尺度上为什么会形成像“神经网络”的丝状结构?

时间:2020-06-04 05:49

自大爆炸理论提出以来,我们对宇宙起源的轮廓已经有了初步的理解,但是在有些细节方面,还是有一些让人费解的地方。例如下面的问题!

我们知道暗能量为宇宙提供了负压,也就是说它就有排斥力,而物质(包括暗物质)为宇宙提供正压,具有吸引力。暗能量不断地推动着受引力束缚的星系/星系团之间的空间膨胀,目前的普遍共识是,宇宙将永远膨胀、冷却,并最终进入“大冻结”状态。从这一点出发,由于引力束缚的系统不受暗能量的影响,说明暗物质和普通物质的联合引力等于或大于暗能量的排斥力。那为什么暗物质没有完全抵消宇宙初期暗能量的斥力?在暗物质和暗能量的作用下宇宙为什么会形成丝状结构?今天就说这两个问题!

宇宙的运行方式以及像恒星、星系和星系团这样的结构形成,有点超出了我们日常生活的经验范围。简单地说,我们的宇宙是由不断膨胀的时空构成的,膨胀的速率以某个初始值开始,这个初始值由宇宙暴胀的物理特性和暴胀周期的结束方式决定。也就是说,宇宙暴胀为我们提供了一个初始的膨胀率。

但是暴胀一旦结束,宇宙膨胀的速度就不再是恒定的了,因为宇宙中充满了各种各样的其他形式的能量:辐射、物质、反物质、中微子、暗物质,还有一点空间本身固有的能量,即暗能量。正是所有这些因素的结合(这些因素随着宇宙的膨胀而变化)决定了宇宙后期膨胀率如何随着时间的推移而变化。

所以,在整个宇宙范围内,暴胀结束后宇宙要么在引力的作用下重新崩塌,要么引力不足以逆转膨胀,最终使膨胀率降为一个非零值,要么正好处于这两种情况之间,膨胀率无限趋近于零,这三种情况取决于宇宙中所有不同形式能量的不同比例。从上图左就能看出,宇宙一开始由辐射掌控,但随着空间膨胀辐射密度下降的比物质快,但是暗能量的密度不管宇宙怎么膨胀,其能量密度一直不变。

因此对于我们实际生活的宇宙来说,宇宙似乎会永远的加速膨胀下去,因为暗能量已经在后期掌控了我们的宇宙。

可是以上的说法并不适用于所有尺度下的宇宙;它只是告诉我们宇宙在大尺度范围内发生了什么,或者在整个宇宙的范围内发生了什么!它告诉我们,在宇宙的后期和大尺度上,那些还没有被引力束缚在一起的物体会开始加速远离彼此。

但宇宙中仍然存在引力束缚系统,它们在小尺度上大量存在,在中尺度上适度存在,在相对大尺度上稀疏存在。这些尺度都是整个宇宙故事的一部分。

因为宇宙一开始并不是完全平滑、均匀的,也就是说在宇宙空间中不是所有的地方都有等量的物质、辐射、暗物质和暗能量。如果真的是这样的话,我们的宇宙将会变得非常无趣;它将是一个完全均匀的海洋,每个地方都是完全均匀的。没有恒星、星系或行星,没有所谓的宇宙空洞,没有人、动物、生命、星系团或丝状结构。

相反,我们的宇宙在所有的尺度上都有轻微的密度过高和密度过低的区域,包括小、中、大尺度上。

暗物质的存在帮助物质密度较大的区域随着时间的推移而增长,其增长速度足以在短短的几千万年内因引力而塌缩形成结构。如果整个宇宙像这些区域物质密度过大的话,整个宇宙就会很快地重新塌缩!

当然,还有更多物质密度过小的区域,它们的密度低于平均值,倾向于把物质转移到密度更大的区域;如果整个宇宙就像这些区域,物质密度更小的话,宇宙中只会形成非常非常少的恒星、星系和星系团。

正是宇宙中初始条件的复杂性使得我们最终能够看到宇宙不同尺度上巨大的多样性。在暗物质和暗能量的宇宙斗争中,在引力和膨胀的宇宙斗争中,在形成结构的宇宙“拉力”和压制结构的宇宙“推力”中,既有赢家,也有输家。

在小尺度上我们更容易注意到赢家,因为星系、星系团大量发射和吸收着可见光,或者是来自电磁波谱其他部分的光,甚至是通过星系团的引力透镜看到其背后的天体,因为引力透镜更容易探测到宇宙中存在而不是缺失的物质。

但是在宇宙中也存在着大量的空洞,而且空洞的数量远远超过了存在物质的区域!暗物质和正常物质共同的引力可以在相对较小的尺度和早期宇宙中同时击败最初的膨胀率和暗能量的排斥力。

当我们看到越来越大的尺度的时候,就会发现暗能量的斥力在大尺度上取得了胜利,当我们到达最大的尺度,宇宙完全是由暗能量掌控,引力在这些尺度上已经失去了作用。

宇宙一开始由于暴涨所建立的初始条件而膨胀,随后由于普通物质、暗物质、辐射和中微子的引力只在少数的特定地点“获胜”。引力在与膨胀率和暗能量的追逐中并没有赢得所有的比赛,更没有赢得大尺度上的比赛。

这就是为什么,当我们今天向外看宇宙的时候,有无数的星系散布在空间的各处,它们中的许多星系聚集在一起,在大尺度上沿着细丝排列。但是这些超星系团由几千个星系组成,跨越几亿光年,是宇宙中拥有的最大的束缚结构;在所有比超星系团更大的尺度上,形成的结构都是暂时的,因为暗能量的存在最终会让它们彼此分离。

这就是有暗物质和暗能量的宇宙是如何在不同的尺度上发展的,在小尺度上,我们有暗物质掌控,形成了我们目前所能看到的一切,包括行星、恒星、星系、星系团,这些结构聚集在一起,在暗能量的作用下,也形成了许许多多的宇宙空洞,并排列成丝状结构!