暗物质宇宙网将整个宇宙连接在一起,现在我们能看到它了。
宇宙网中纤维结构的可视化图像,来自EAGLE宇宙学模拟项目。
宇宙中遍布着巨大的不可见的宇宙网,它的细丝编织在一起充满了整个空间。虽然它掌控着空间中我们能看到的物质,但它本身是由不可见的暗物质组成的,只会产生引力作用而不会发光。
宇宙网直到现在依然是不可见的,但科学家第一次能够点亮这个宇宙中最黑暗的地方。
编织宇宙网
很久之前,宇宙中温度和密度都比现在高的多,体积也比现在小的多。那时宇宙中不同地方的密度变化较小,虽然体积很小,但在年轻的宇宙中,无论你走到哪,各个地方看起来都是均匀的。
但空间中仍然有非常小的随机密度涨落。在密度较大的地方,引力比周围要大一些,能够吸引周围的质量流向它们,质量也进一步增长,然后引力变得更大,吸引更多的物质,继续增长质量,持续数十亿年。与此同时,当密度大的区域增长质量的时候,它们之间的空间(密度小的区域)则变得越来越空。
经过了宇宙学时间,原本密度大的地方密度越来越大,原本密度小的地方密度越来越小。
最终,密度大的区域里产生了第一批恒星,星系和星系团,而密度小的区域则成为巨大的宇宙空洞。
在经过了138亿年这样的塑造过程之后,这个过程仍然没有结束。物质仍然在从空洞流向星系群,而星系群里的星系也流向密度更大的星系团。现在,宇宙中的物质组成了一个巨大的,复杂的纤维网状结构:宇宙网。
黑暗中的光
我们宇宙中大部分物质是暗物质,它们不与光或其他“普通”物质互相作用,“普通”物质是指我们能看到的恒星,气体云,以及其他有趣的天体。结果是,宇宙网的大部分对我们来说都是完全不可见的。幸运的是,当暗物质互相吸引时,它们也会拖拽一些普通物质。
在宇宙中密度最大的区域,暗物质的引力对普通物质施加的足够的影响,使它们聚集在一起,然后形成星系,发出的光线能够被我们观测到。
恒星和星系就像遥远黑暗的海岸上的灯塔一样,告诉我们隐藏的暗物质在哪里,为我们描绘幽灵一般的宇宙网真实的结构。
通过这种带有偏差的视野,我们很容易就能看到星系团,它们就像在夜间航班上看到的巨大城市一样。我们确定在宇宙网结构中有大量的暗物质,因为它需要极大的引力去把这么多星系聚集在一起。
在能谱的另一端,我们能够看到空洞,这是一些密度极小的区域,没有多少物质在里面。因为并没有星系来点亮这些区域,我们就知道它们总的来说是真正的空荡荡的区域。
壮观的宇宙网由复杂精细的线状纤维组成,纤维能够延伸数百万光年,当中也有星系。这些纤维就好像宇宙中的高速公路,穿过各个黑暗的空洞,连接明亮的如同城市一般的星系团。
弱引力透镜
宇宙网中的纤维结构研究起来非常困难,它们包含一些星系,但不是特别多。它们长度各异,方向各有不同。相比之下,星系团和空洞就像一些简单的几何图形。即使是这样,我们依然知道纤维的存在。通过几十年的计算机模拟,经过了艰难的研究,我们终于可以在模拟中看到这些纤维结构。
一个天文学家小组在绘制宇宙网中取得了巨大的进步,他们的成果在1月29日发表在arXiv上。以下是他们的研究过程:
首先,他们拿到了一组来自BOSS(重子震荡光谱巡天)的亮红星系(LGRs)星表。亮红星系是质量非常大的星系,通常存在于高密度的暗物质晕的中央。如果亮红星系在密度最高的地方,那么这些星系之间的连线就是宇宙网的纤维细丝。
但在两个亮红星系之间的空间中,恒星并不是很多,这里并没有很多物质。研究组用上千对亮红星系,对它们进行调整,把它们叠加在一起来制作复合的图像。
通过这种叠加的图像,科学家们数出所有他们能看到的星系,算出它们对亮度的贡献,以此来测量连接亮红星系的纤维中有多少普通物质。下一步,他们研究纤维背后的星系,尤其是这些星系的形状。
当这些背景星系发出的光穿过纤维,纤维中暗物质的引力会轻微地弯曲光的路径,所以背景星系被我们看到时,形状会发生轻微的扭曲变化。通过测量这些形状变化的程度(科学家也称“切变”),研究小组可以估计纤维中暗物质的总量,这种方法称为弱引力透镜法。
这种测量与理论预测一致,也是另一种暗物质存在的证据。科学家也确定了纤维并不是完全由暗物质组成,每351个太阳质量的纤维,就有1个太阳质量的普通物质(发光物质)。
这只是一份粗糙的纤维结构地图,但这是第一个。毫无疑问,它能够说明,即使宇宙网中的大部分是暗物质,但也并不全是暗物质。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3.Paul Sutter-xeno
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