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宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

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发表于 2016-10-31 21:44:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
在过去的几年里,美国天体物理研究中心的科学家约翰·赫奇勒和玛格特·盖勒一直致力于宇宙的研究中。他们发现利用他们首创的三度空间图像可以推测宇宙建立在许多巨大空间的周围。这些空间看起来就像洗脸盆上的肥皂泡,而大大小小的星系就依附在“泡沫”上。有的“肥皂泡”相当大,直径达到15亿光年。
但是,这些“肥皂泡”是怎样产生的?构成星系的物质是如何空出这么巨大的区域来的?诸如此类的问题,在科学界引起激烈争论。有人认为,是大爆炸将物质从空间中心推向四周,从而形成“泡状”。

这种说法存在着很大问题,因为它无法解释物质怎么能跑完这么长的路程,形成这么巨大的空间。最近,有人又发现了横跨天穹的一个狭长星系。这个星系长约5亿光年,宽约2亿光年,厚约1500光年。

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

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这是天文学家迄今为止发现的最庞大的宇宙结构。美国《科学》杂志详细报道了这一发现,并将其命名为“长城”。这道肉眼看不见的是曲线形的“长城”,离地球大约2亿~3亿光年。由于距离遥远,它在一般的天文摄影照片上显示不出来。这条“长城”的发现使人们了解到宇宙中最大的发光结构不是银河系中的超星系团。与此同时又给人们一些启示:在太空中会不会还有更大的天体等待着人们去发现呢?





什么是宇宙长城


  所谓的宇宙长城并不是某个星系,而是一大群星系的集合。星系有成群出现的现象,这叫星系群,而星系群也有成群出现的现象,叫做超星系团。例如我们的银河系就属于本星系群,本星系群是本超星系团的成员之一。通过观测发现,宇宙中的大量星系都集中在一些特定的区域上,在这种极大的尺度结构上看去就象是长长的链条,所以叫宇宙长城,这可比星系的尺度要大的多。

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的


  最宏大的宇宙长城2003年10月20日,以普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德.格特为首的一组天文学家启动了一个名为斯隆(Sloan)数字天空观测计划的项目,利用新墨西哥州阿帕奇角天文台的大型望远镜,对1/4片天空中的100万个星系相对地球的方位和距离进行了测绘,然后以航海家的心情把它们描绘在一张《宇宙地图》上面。到2003年,这份地图的草图已经发布了第三版。

  正是在这个第三版地图上面,天文学家惊讶地看到了这个被命名为“斯隆”的巨大无比的由星系组成的“长城”。这样一种条带状的星系长城并不是第一次发现,在 1989年,天文学家格勒和赫伽瑞领导的一个小组,就从星系地图上面发现了一个显眼的由星系构成的条带状结构。这个结构长约7.6亿光年,宽达2 亿光年,而厚度为1500万光年,隐然就是一条不规则的薄带子的样子。

  天文学家们形象地称呼它为“长城”,后来就被人称为“格勒-赫伽瑞长城”。宇宙究竟是什么?古人云,上下四方为之宇,古往今来为之宙;按物理学的观点,上下四方是空间,是一个三维概念,古往今来是时间,是一个一维概念,所以,宇宙两个字联起来,是一个四维时空。
  可见古人对宇宙的定义,是带有朴素的唯物辩证法的观点的。而按现代的观点,宇宙是指广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称.由于宇宙是处于不断地运动和发展之中的,也就是说人类目所能及的地方以及人类还没有看到但是仍然存在的物质都是宇宙。


  人们对宇宙奥秘揭示得越多,就越发现宇宙的深不可测。人类对宇宙认识进程,先从地球开始,地球只是太阳系的一个普通成员与其他八颗行星一起日夜绕着太阳旋转,连同卫星、慧星、小行星和流星,组成太阳系。再从太阳系延伸到银河系,银河系包括有1000多亿颗恒星,所占宇宙空间直径已达10万光年。然而银河系并不是宇宙空间的尽头。
  在银河系之外,还有许多“河外星系”。天文学家已发现10亿多个河外星系,每个河外星系都包含有几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和大量的星云和星际物质。所有河外星系又构成更庞大的总星系。通过射电望远镜和空间探测,已观测到距离我们地球约 200亿光年的一种似星非星的天体,称为“类星体”。这一发现,又把人类视线拓展到200亿光年的宇宙深空。


  宇宙学原理


  我们的宇宙学理论最为关键的第一步,是由爱因斯坦迈出的。早在他提出狭义相对论,从而使得电磁作用在这个实在世界稳妥下来之后,马上把目光投向整个宇宙最基本的问题:如何理解这个宇宙最为一般的作用力-万有引力?以及万有引力是如何主导构造了这个宇宙的形状和历史?

  为了从基本的力学原理出发,给整个宇宙建立一个一般的力学方程,爱因斯坦引入了一个看起来很稳妥和中庸的假设:整个宇宙从大范围来看,物质的分布是均匀的,无论把我们的地球放在宇宙的哪个角落,地球上面的天文学家抬头观察宇宙所得到的性质应该是一样的;无论我们从地球出发向着哪个方向横穿整个宇宙,假如我们能够做到这点的话,我们对于宇宙性质的测量也应该是一样的。

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

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  这是一个非常朴实的假设,被称为宇宙学原理,我们可以把它看成是哥白尼原理的一个推广版本。哥白尼最伟大的发现,即地球不是宇宙的中心,也就是说地球并没有占据这个宇宙特殊的位置。这个发现彻底把人类从中世纪的受到禁锢的自然观当中解放出来,才使得后来由牛顿主导的物理学革命有了合适的土壤。爱因斯坦从哥白尼那里继承了这个思想:既然地球并不占据宇宙的特殊位置,那么也许在整个宇宙当中,都不应该存在任何的特殊位置,否则处于那个位置的天文学家对于宇宙的观测性质,会和地球上面天文学家得到的观测性质有差异。这样一个自然的结果,就是宇宙当中物质的分布,应该是均匀的,各向同性的。


  早期的波澜


  爱因斯坦从宇宙学原理出发,按照他提出的一种对于万有引力的崭新理解,也就是广义相对论,能够为宇宙列出一个基本的力学方程式,这个方程式能够描述宇宙的演化历史和结构形成。当然这样一个力学方程和任何的牛顿力学方程一样,只是能够告诉我们宇宙的行为方式,还无法单独解释宇宙处于这个状况的缘故,就好像我们知道了16路公共汽车是典型的快车,但如果不知道它发车的时间和地点,也无法预料它什么时候到站一样,对于宇宙,我们还需要通过观测来获得它的一些基本数据:整个宇宙在不停膨胀的速度,和宇宙的平均密度。

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的


  宇宙的任何两点之间都在膨胀,是20世纪最伟大的天文发现,爱因斯坦的宇宙方程式当然必须接受这点;而宇宙的平均密度则反映了宇宙这辆快车的到站位置。加入这两个观测数据之后,我们用爱因斯坦的宇宙方程式就可以描绘出这么一幅基本的宇宙演化图像:宇宙是从由微观粒子构成的高温高密度均匀气体演化而来的,宇宙当中的物质形态和天体结构都是演化的产物,而如果把一个象银河系那样的星系只是看成一个气体分子的话,那么的整个宇宙仍然可以比较恰当地看成由一个气球所包含的一袋空气,也就是说,宇宙里面星系的分布是基本均匀和稀疏的。

  从均匀的微观粒子气体,演化到均匀的星系构成的气体,如果我们给其中的均匀加上“严格”这么一个形容词,那么这个演化过程反而是不可能发生的了,因为无论是小到化学元素的形成,还是大到星系的形成,都需要有物质在局部地区不再均匀!所以如果我们追溯到宇宙的历史早期,就应该预料到当时的宇宙就已经存在细微的、局部的波澜,正是那样细微的波澜,才引发了后来宇宙当中各种结构的形成。



  后来的海绵


  既然早期的宇宙波澜是一定要存在的,因为否则我们无法解释我们自己的存在,那么我们是否还能够窥探到那种玄密波澜的模样呢?宇宙学家很巧妙地帮我们偷拍到了,那就是绘制整个宇宙的地图。


  如果我们把整个宇宙的星系都描绘在一张地图上面,那么我们首先能够看到的是什么呢?就好像一张大幅海报,如果我们把脸贴着海报,当然只能看到印刷在纸上的各种颜色点,只有当我们后退到一定距离,才能够看到海报上面的内容。同样,如果我们站在足够远的距离,来看一幅标注了几乎全部星系的宇宙全图,那样我们才能够看到宇宙一般物质分布的图像,而从那样一个图像,我们正好能够大略看到婴儿期宇宙的微波荡漾的模样。为什么呢?因为宇宙自从大爆炸之后,就一直是在不断膨胀当中,在很早期的时候,当这种膨胀使得组成宇宙的微观粒子之间的平均距离大到一定程度,那么粒子之间发生的碰撞作用就变成了非常希罕的事情,这样大部分的粒子实际上从那个时候开始,就再也没有和其他粒子相遇过,使得那个时候宇宙物质的分布状况也就一直封存下来了,这就是我们能够从宇宙全图首先看到的图像。

  迄今为止所有的对于星系的测量显示,我们这个宇宙一眼看起来的话,很像一块巨大的海绵:宇宙中的星系聚集成条带状,被广阔的空旷地带和巨大的空洞分隔开。我们可以愉快地认为,这种海绵状的结构,正是宇宙在大爆炸后一瞬间所发生的物质分布密度波动所形成的图样。


  宇宙地图


  为了更加明确地研究这个海绵宇宙,有必要把所有星系都画到一张宇宙地图上面去。以普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德.格特为首的一组天文学家,就一直在从事这项工作。他们启动了一个名为斯隆(Sloan)数字天空观测计划的项目,这份地图的草图已经发布了第三版。 这样一种条带状的星系长城并不是第一次发现。

宇宙“长城”是什么 是怎样形成的

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  星系象海绵那样分布是非常合乎理论家的预想的,但是等到观测到这么一些明显的条带,开始有些令理论家不安起来,因为粗看起来,在单纯的万有引力的作用下,应该不至于在如此大的范围形成如此壮观的宇宙长城。但猜想不如动手,于是他们立即开动计算机,看到底能不能由现有的理论,通过模拟计算得到这样一种大范围的条带结构。他们建立了一个巨大的由星系构成的宇宙模型,用来模拟真实宇宙里面包含了斯隆长城的那部分空间,而其中用来组成斯隆长城的星系,占到了整个模型里面星系数量的10%。计算结果让天体物理学家大大松了口气,因为不管是7.6亿光年长的“格勒-赫伽瑞长城”,还是13.7亿光年长的“斯隆长城”,都还不是属于理论无法预测的结构。


  于是从爱因斯坦开始的宇宙学理论仍旧维持了它的荣耀,天文学家也得以继续安稳地推进宇宙地图的描绘工作。整个斯隆观测计划将在2005年完工,到那时我们将获得有史以来最完整的宇宙三维立体图。就好像当年哥伦布等航海探险先驱们绘制出第一张全球地图一样,宇宙全图不仅能够给我们带来关于宇宙的大量有趣细节,例如大爆炸后"太空长城"是到底如何形成的,它周围的空旷地带又是如何形成的,更可以期待它能够给整个人类社会带来缓慢而深刻的观念革命。想象一下,当新华书店在卖世界地图的地方,新增了一些新奇而斑斓的宇宙地图可供出售,随后这些地图被纷纷挂上墙壁,是不是可以常常给一眼瞥见它的人一点思想的停驻呢?

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