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我们的宇宙结构是自上而下还是自下而上生长的

2019-10-09 17:27:34来源:

如果有一个人类应该从20世纪学到的教训,那就是:宇宙很少以直觉引导我们怀疑的方式表现。1900年代初,我们认为宇宙是由牛顿引力控制的。我们认为宇宙是静止的,静止的,​​无限古老的,没有起点也没有终点。而且我们甚至无法确定银河系是否是众多星系之一,或者它是否涵盖了其中的一切。

当然,理论和观察的发展都改变了这一切。牛顿重力被广义相对论所取代,这表明静态宇宙将是不稳定的。螺旋体(及后来的椭圆形体)被确定为是银河系之外的自己的“孤岛宇宙”,每个都有自己的数十亿颗恒星。我们生活在一个始于138亿年前热大爆炸中的世界,而不是一个无限古老的宇宙。这张照片本身是革命性的,但引出了一个全新的问题:宇宙是如何成长的?

当我们在最大的宇宙尺度上检查宇宙时,我们可以通过识别我们能够检测到的每个星系的性质和位置,开始绘制宇宙图。多亏了我们对光在不断扩展的宇宙中的传播方式的理解,我们可以准确地测量遥远星系的红移(即,在到达我们的眼睛之前它的光被拉伸了多少)以及独立地离它有多远我们。

通过将这两个度量结合起来,我们可以了解两个重要的事情:

平均而言,星系离我们越远,它的红移就越大。

当您与宇宙的平均密度相差很大时,局部重力场可能会在扩展的宇宙所产生的红移之上叠加数百或什至数千公里/秒的额外速度。

第二个效应称为奇特速度,因为它描述了恒星,星系或任何质量所经历的额外运动,这是由于周围所有质量的引力作用引起的。如果我们想准确地绘制出宇宙图,则有必要弄清这两种效应,以确保为这些星系分配它们在空间中的正确位置,而不是根据我们从其测得的红移推断出的有偏位置。

宇宙学家-像我一样研究宇宙大尺度结构的人-长期以来已经了解这些奇特的运动。如果您根据每个星系的红移绘制出地图,您会发现一些出乎意料的事情:您为宇宙绘制的地图将包含所有看上去都指向您所在位置的星系细丝。几十年前,宇宙学家将此效应称为“上帝的手指”,因为无论您身在何处,它们都指向您。幸运的是,我们立即意识到这不是真正的物理影响,而是错误分析数据的影响。

要了解这是怎么回事,我们必须从头开始:一直到火爆的大爆炸的最早阶段。在这些最早的阶段,宇宙中的所有物质-正常物质和暗物质-都几乎完美地均匀分布。但是,“几乎”至关重要。早期的任何微小缺陷都会在后期引起巨大的缺陷。原因很简单:重力是一种失控的力量。

如果您在年轻的宇宙中有一点点密度,它将优先吸引越来越多的物质。密度较低的附近空间区域会将它们的物质吸引到密度较高的区域,从而导致星系,银河系群甚至巨大星系团的生长和形成。这些大规模的宇宙结构,随着它们的成长,会影响周围所有其他大型物体的运动。

当我们成功地解释了我们今天所观察到的星系运动时,我们可以进行校正,并将在“红移空间”中观察到的内容转换为在“真实空间”中实际应该显示的内容。拥有无失真视图的网络,我们可以准确地了解宇宙是如何在最大尺度上聚集并聚集在一起的。

宇宙在最大范围内的呈现方式为我们提供了大量信息。因为我们知道重力是如何工作的,所以我们可以使用这些观察值一起重构两件事:

宇宙是由什么组成的:暗能量(68%),暗物质(27%),正常物质(4.9%),中微子(0.1%)和辐射(0.01%)。

宇宙的初始条件是什么:它以什么方式和程度偏离了完全统一。

几十年前,在我们拥有一系列的太空望远镜和遥远的宇宙的深广视野之前,我们所拥有的所有理论指导都是可行的。即使我们发现了正在膨胀的宇宙,遥远星系的性质,与宇宙微波背景相对应的辐射以及对宇宙大爆炸的最终验证,我们仍然不知道宇宙刚开始时的状态。

我们的宇宙网络如何产生的两种可能性称为自上而下或自下而上的方案。在一个自上而下的宇宙中,最大的缺陷是最大的。他们首先开始引人入胜,并且在这样做时,这些较大的瑕疵会分解成较小的瑕疵。当然,它们会产生恒星和星系,但是在很大程度上,它们会受到大型引力缺陷的束缚,形成更大的簇状结构。自下而上的宇宙则相反,引力缺陷在较小范围内占主导地位。恒星团首先形成,其次是星系和星团,因为小规模的缺陷经历了失控的增长,最终开始影响更大的规模。

自上而下和自下而上这两种可能性之间的这种张力贯穿了整个1960年代,70年代乃至80年代和(甚至是90年代)宇宙学的各个方面。随着来自银河系调查的数据开始传入,在越来越微弱,越来越远,越来越全面的大块中绘制出宇宙图,天体物理学家对此感到有些惊讶。

每当我们找到一个星系时,我们都可以问一些问题,例如“我会找到另一个距该星系有特定距离的星系的几率是多少?”有了足够的星系图,我们就能得到答案。我们还可以问有关找到三个或更多星系组合在一起的问题,以及找到任何规模的相关星系对,四倍体等的几率。

当我们将所有这些数据放在一起时,我们可以问一个决定性的问题:哪些规模包含最多的聚类?通过查看称为宇宙功率谱的图表,我们可以确定是小规模的还是大型的,或者两者是混合的。

在物理学中,当我们的科学是定量的时,我们会尽力而为。当我们可以高精度,低不确定性地测量参数时,我们可以得出关于宇宙本质的最有力和最有益的结论。对于自上而下与自下而上的问题,我们要查看的实体称为标量光谱指数(ns),它是衡量在初始情况下最初哪些标度包含最大功率的量度。热的大爆炸。

如果ns远小于1,那么大多数初始功率将是最大尺度,而不是较小尺度,我们将生活在一个由上而下而不是自下而上的过程主导的宇宙中。

如果ns大于1的大数,则大多数初始功率将在小范围内发生,这意味着我们生活在一个由自下而上而非自上而下的过程主导的宇宙中。

并且如果ns= 1,这将产生我们称为尺度不变的频谱,这意味着功率(至少在最初)均匀地分布在所有尺度上,并且只有重力动力学才驱动结构形成来获得我们今天所看到的宇宙。

当第一批主要星系调查开始产生有意义的结果时,我们开始观察到宇宙与尺度不变是无法区分的,这意味着宇宙不是自上而下的,也不是自下而上的。这是两者的结合。在小规模和大规模以及两者之间都有最初的缺陷。但是,由于重力仅以光速发送信号,因此小尺度开始经历重力崩溃,而大尺度甚至可以开始相互影响。

随着各种规模结构的“种子”出现,我们完全预计小规模规模将在数千万亿年之内首先发展,而最大规模的规模将需要数十亿年才能完全形成。今天,我们对宇宙功率谱和标量谱指数ns的最佳测量结果告诉我们,ns= 0.965,不确定度小于1%。宇宙非常接近于尺度不变性,但它倾向于比自下而上稍微多一点。

一个世纪前,我们甚至不知道宇宙是什么样的。我们不知道它是从哪里来的,它是什么时候开始的,它是什么年代,它是由什么制成的,它是否在膨胀,它里面有什么。如今,我们对所有这些问题都有科学的答案,准确度在1%以内,而且还有更多。

宇宙的诞生几乎是完全统一的,在几乎所有规模上都存在30,000分之一的缺陷。最大的宇宙尺度的瑕疵要比较小的瑕疵稍大,但较小的瑕疵也很大,并且首先会崩溃。在大爆炸之后的50到2亿年间,我们可能形成了第一批恒星。第一个星系是在大爆炸之后200至5.5亿年出现的;最大的星系团花了数十亿年才能到达那里。

宇宙既不是自上而下也不是自下而上的,而是两者的结合,这意味着它的诞生具有几乎不变的频谱。借助诸如LSST,WFIRST之类的未来勘测望远镜,以及下一代30米级地基望远镜,我们有望以前所未有的方式测量星系团簇。经过一生的不确定性之后,我们终于可以给出科学的答案,以了解我们的宇宙的大规模结构是如何形成的。