天文学家在 92 亿光年外发现了两个巨型结构，巨弧和巨环

2021 2000年，天文学家在牧夫座附近发现了一个巨大的弧形结构。结构极其巨大，比银河系大数万倍，宽度足够 33 亿光年已达到可观测宇宙半径 1/15！

仅仅两年后，当作家们仍然感到困惑时，第二个巨大的结构出现了。这个结构也在牧民座旁边，非常接近以前的巨大弧形结构。不同的是，这次它不再是一个弧，而是一个完整的环。环的直径 13 周长达到了亿光年 40 亿光年。

你知道，超星系团是宇宙中为数不多的庞然大物之一，它们通常只有数亿光年。例如，银河系所在的室女座超星系团（Virgo SC），直径刚刚超过 1 亿光年。要和今天这两个庞然大物相比，恐怕只有星系长城那种更大的结构。

即便如此，就像著名的史隆长城一样，它的长度只有十亿光年。关键和奇怪的是，星系长城是一个巨大的星系群，早年由重力聚集。由于星系群之间的聚集是完全随机的，星系长城的形状通常是不规则的。

另一方面，巨弧和巨环不仅与星系长城相当，而且保持了如此规则的外观，这是出乎意料的。那么它们是什么，它们是从哪里来的呢？

首先，形成这个庞然大物的不是其他东西，而是星系。然而，这些星系有一个特点。就像我们上次介绍的暗星系一样，它们的亮度非常低，甚至低于夜空本身的背景亮度。难怪它们以前没有被发现。这一次，由于它们后面的类星体，它们被发现了。

类星体是一种极其明亮的活跃星系核，中心是一个超大质量的黑洞，正在吃特别的食物。它们的星系通常是一些年轻的星系幼崽，它们经常存在于宇宙的古代，所以它们离我们很远。

当这些类星被有前途的暗星系阻挡时，它们的光就会变暗。周围的类星都很亮，但这些都很暗，显然它们应该被什么东西阻挡。在光谱数据的帮助下，天文学家很快就证实了这些屏蔽物是一个接一个的星系。与此同时，他们还绘制了这些星系的轮廓，所以巨大的弧线和环出现在人们面前。

通过对天文学家的进一步分析，我们发现巨弧和巨环离我们几乎很远，这意味着它们存在于宇宙的同一时期。当时，宇宙只有现在年龄的一半，大小比现在小得多，所以问题出现了：根据宇宙学的标准模型，宇宙越早，内部同质化就越明显，结构化的大规模天体就越不可能出现。

例如，在大爆炸开始时，宇宙中除了“热量”之外没有天体。后来，随着环境温度的下降，恒星、星系甚至星系团等天体慢慢出现。即使在中期，理论上，宇宙也不应该超过跨度 12 亿光年的结构，但巨弧和巨环明显超过了这个尺寸。因此，这是对当今宇宙学的另一个挑战。

目前，研究人员对这两种结构给出了三种解释，其中第三种特别是遐想。

鉴于其规则的圆形形状，研究人员最初认为，这种大型结构可能来自重子声学振荡（BAO），它也是宇宙学标准模型允许存在的大尺度结构。

在重子声学振荡之前，我做了一个特殊的问题。简单地说，你可以想象大爆炸的原始宇宙是一片海洋。海水是新形成的重子物质，如质子和中子。随后，高能光子产生了强大的辐射压力。这些光子推动重子向前移动，因此它们向四面八方扩散，形成一种中空结构，边缘与气泡密切相似。它被称为“重子声学振荡”，因为这种“气泡”的密度波动符合一些声学特征。

由于这些“气泡”诞生于宇宙的早期阶段（比背景辐射早），随着空间的扩大，今天的“气泡”变得非常巨大。它有多大？武仙北冕长城听说过，一座跨越数百亿光年的星系长城，只是这个“气泡”气泡壁的一部分！这样，这两个大家伙就有点相似了。

然而，经过仔细分析，研究人员发现了一个严重的问题：重子声学振荡产生的“气泡”是三维的，但巨大的弧和巨大的环是二维的结构！换句话说，我们看到的环不是球壳的边缘，它真的是一个环。所以它们看起来不像重子声学振荡。

然后研究人员给出了另一个解释：它们可能是由宇宙弦引起的。

说到宇宙弦，这个东西更抽象。它是宇宙早期空间相变引起的拓扑缺陷，是一种一维的线性“物体”。表现为只有质子厚度，但能拉长到光年尺度的“细丝”。虽然“细丝”很细，但它含有惊人的能量，所以它的运动可以产生强大的引力波。这些引力波会影响空间和空间中的物质，巨弧和巨环可能是在它的影响下形成的。

那么这种宇宙弦是一种已经证实的存在，还是只是一种理论预测呢？下次我们来谈谈它的来龙去脉。

无论是宇宙弦还是重子声学振荡，这些解释最终都在宇宙学标准模型的框架内。然而，研究人员也考虑了超出标准模型的新解释，如彭罗斯的共形循环宇宙学 (CCC) 模型。

从名字上可以看出，宇宙在这个模型中经历了无数次的循环。但与“大挤压”（Big Crunch）“不同的循环假设，这个模型中的宇宙不是先经历“坍缩”，然后再“爆炸”，而是从头到尾无限膨胀。

但是如果一直膨胀，怎么循环呢？彭罗斯认为，在宇宙结束时，当所有物质都衰减到一定程度时，从数学的角度来看，宇宙和大爆炸的奇点之间没有本质的区别，唯一的区别是不同的规模。但是如果宇宙中没有物质，那么这个时候的规模就不重要了。整个宇宙将被视为下一个宇宙的奇点，重新开始新一轮的“大爆炸”，从而进入下一个循环。

重要的是，彭罗斯认为，尽管新宇宙几乎是一个新的开始，但新宇宙可能仍然保留着上一个宇宙留下的痕迹，比如宇宙微波背景中的“冷点”（CMB cold spot）以及我们今天所说的巨弧和巨环。

关于共形循环宇宙学，这个话题还是挺大的，以后有机会专门讨论。

目前，主流学术界仍对共形循环宇宙学模型持怀疑态度。毕竟，宇宙学标准模型对所有观察到的现象都有无与伦比的解释能力，这是任何其他宇宙学模型都无法企及的，包括共形循环宇宙学模型。

然而，无论模型有多好，都有一些不完美之处。随着越来越多意想不到的发现，如巨弧和巨环，它们就像出现在今天宇宙学头顶的“乌云”。这也表明，标准模型最终可能会被取代。

[1] UCLan: Discovery of a Giant Arc in distant space adds to challenges to basic assumptions about the Universe

[2] UCLan: A Big Cosmological Mystery

[3] YouTube: AAS 243 Press Conference: Oddities in the Sky

[4] Wikipedia: Conformal cyclic cosmology

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：linvo001)，作者：Linvo

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