昨天解讀了一下諾獎(jiǎng)中“理解宇宙演化”是啥意思，正好說(shuō)到了在宇宙微波背景形成和大爆炸核合成，今天我們就順著往下說(shuō)！既然有了初始的物質(zhì)，那么往后的宇宙中大尺度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是如何成長(zhǎng)起來(lái)的？是在什么時(shí)候停止的？宇宙現(xiàn)在還會(huì)不會(huì)繼續(xù)形成大的結(jié)構(gòu)？ 目前我們宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)是啥樣的當(dāng)我們駐足仰望夜空，跟隨著我們銳利的目光，越過(guò)太陽(yáng)系，穿透銀河系來(lái)到廣袤的宇宙，我們看到了什么？宇宙充滿了物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)。然后想想今天的宇宙中有什么？你可能會(huì)想到無(wú)數(shù)、巨大、稠密的物質(zhì)團(tuán)塊布滿了宇宙空間。例如：衛(wèi)星、行星、恒星！那么我們的宇宙真的是充滿了物質(zhì)，它們?cè)谟钪嬷姓娴暮軗頂D嗎？不是的。  單考慮地球和月球之間的距離，再與它們的實(shí)際大小相比，我們就能看出地球和月球之間有著巨大的天文距離！當(dāng)我們考慮宇宙最大的尺度時(shí)，空間的間隔距離更是令我們咋舌。 從我們的角度來(lái)看，目前可以觀察到的宇宙其直徑約為920億光年，其中包含了超過(guò)1000億個(gè)星系。這些星系都是大而密集的物質(zhì)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都含有氣體，塵埃，和極密集的恒星，行星，白矮星，中子星和黑洞！  盡管這些星系在大尺度上聚集在一起形成了更大的結(jié)構(gòu)（星系群、星系團(tuán)和超星系團(tuán)），但宇宙的結(jié)構(gòu)看起來(lái)就像一個(gè)巨大的絲狀網(wǎng)絡(luò)，物質(zhì)聚集的區(qū)域被巨大的空間分割開(kāi)來(lái)。  如果我們把宇宙的空間和物質(zhì)平均一下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的平均密度大約是每立方米一個(gè)質(zhì)子。但是在我們生活的地方，在地球上密度大約是這個(gè)平均密度的10^30倍，而星系間的密度很低，并且漸進(jìn)地接近于零。 所以我們很難想象宇宙開(kāi)始于一個(gè)幾乎完全均勻的狀態(tài)。但事實(shí)上，如果我們回到早期的宇宙，到處都是一樣的（除了存在微小的密度漲落）！那么我們是如何從一個(gè)統(tǒng)一的、幾乎完美的狀態(tài)發(fā)展到今天的？讓我們追溯偉大的宇宙歷史，看看我們看到的一切來(lái)自何方。 真空量子漲落早就了宇宙結(jié)構(gòu)的“種子” 據(jù)我們所知宇宙在最開(kāi)始的時(shí)候，根本不存在任何物質(zhì)輻射，粒子以及反粒子。只有空的時(shí)空，而真空本身固有巨大的能量，并以指數(shù)增長(zhǎng)的速度膨脹。這就是所謂的宇宙膨脹時(shí)期。  隨著宇宙暴脹的發(fā)展，越來(lái)越多的空間被創(chuàng)造出來(lái)，所有的空間都具有相同的、固有的、均勻的特性，包括所有地方相同的能量密度。這時(shí)我們的宇宙不是古典的宇宙而是量子宇宙。換句話說(shuō)，盡管我們對(duì)暴漲的具體性質(zhì)知之甚少，但我們知道宇宙此時(shí)應(yīng)該是一個(gè)量子場(chǎng)，而不是一個(gè)經(jīng)典場(chǎng)。 這也意味著這時(shí)的宇宙就像所有的量子場(chǎng)一樣，也應(yīng)該具有量子漲落。  在暴漲的宇宙中有量子漲落，這些漲落隨著空間的膨脹而被拉伸到整個(gè)宇宙，導(dǎo)致空間的區(qū)域（不論大?。┒家暂p微的高密度和低密度能量開(kāi)始。換句話說(shuō)，是量子漲落創(chuàng)造了宇宙稍微的不均勻。這個(gè)稍微的不均勻就是往后微波輻射溫度在微開(kāi)爾文尺度上波動(dòng)的原因，也是往后宇宙結(jié)構(gòu)的'種子'！ 這個(gè)稍微到底有多稍微呢！就像是下圖中的土疙瘩和地球表面相對(duì)半徑一樣不均勻！所以我們經(jīng)常說(shuō)宇宙早期幾乎完美、幾乎均勻、微波輻射幾乎全天空一致，就是這個(gè)道理。  當(dāng)暴漲結(jié)束時(shí)，所有的真空能量以及量子漲落造成的能量密度缺陷，就會(huì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì)、反物質(zhì)、暗物質(zhì)和輻射。在空間中只保留了少量的真空能量，就是我們現(xiàn)在稱為的暗能量。 宇宙在38萬(wàn)年間，一直保持著微小、均勻的物質(zhì)密度暴漲結(jié)束后宇宙仍在膨脹，但不再以指數(shù)級(jí)的方式膨脹，從現(xiàn)在開(kāi)始，這些微小的密度缺陷會(huì)受到引力的影響，試圖塌縮！  你可能會(huì)認(rèn)為，宇宙從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始就要形成結(jié)構(gòu)了？密度稍微高區(qū)域越來(lái)越密集；而低密度區(qū)域?qū)⒅饾u縮小，把它們的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到更密集的區(qū)域，因?yàn)槊芏却蟮膮^(qū)域在引力上更具有優(yōu)勢(shì)。 直覺(jué)沒(méi)錯(cuò)，但是有點(diǎn)將事情簡(jiǎn)化了。事實(shí)上，當(dāng)宇宙被輻射所支配時(shí)，物質(zhì)試圖在引力的作用下塌縮，但光子的輻射壓力能夠有效地以幾乎相同的力提供向外推的力。實(shí)際上，這時(shí)的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)非常非常緩慢，只要輻射密度大于物質(zhì)密度，這時(shí)的密度變化幾乎可以忽略不計(jì)。 如果這時(shí)的宇宙中有一個(gè)比平均密度高0.001%的區(qū)域（一個(gè)相當(dāng)?shù)湫偷拿芏炔▌?dòng)），大約10000年的時(shí)間里它不會(huì)發(fā)展到比周圍的平均密度高出0.002%。  甚至在暴漲結(jié)束后的38萬(wàn)年，宇宙殘留的微波輻射中，最大的波動(dòng)幅度只增長(zhǎng)了6倍左右；那些密度比平均水平高0.001%的區(qū)域在38萬(wàn)年后比平均水平高了0.006%。 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)開(kāi)始“生長(zhǎng)”隨著宇宙繼續(xù)膨脹，光子的密度不僅在下降，而且光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生紅移。結(jié)果導(dǎo)致了，宇宙中輻射的能量密度下降的速度比物質(zhì)密度下降的速度還要快。  隨著輻射能量的降低，原始?xì)怏w云就可以在引力的作用下坍縮了！密度過(guò)高的區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)增長(zhǎng)，吸引越來(lái)越多的周圍區(qū)域的物質(zhì)，最終達(dá)到一個(gè)重要的閾值：比平均密度高約68%。這個(gè)數(shù)字很重要。 因?yàn)檫@就是所謂的“不歸點(diǎn)”！在這個(gè)意義上，一個(gè)達(dá)到這種密度的區(qū)域只有一條路可以走：那就是坍塌，根據(jù)區(qū)域的物質(zhì)規(guī)模，最終出現(xiàn)一個(gè)恒星群，一個(gè)星系，甚至更大的結(jié)構(gòu)。  這個(gè)數(shù)字也確保了宇宙中密度最大的區(qū)域能以最快的速度“獲勝”形成結(jié)構(gòu)！這就是宇宙如何從最初幾千萬(wàn)年沒(méi)有恒星到1億年有幾萬(wàn)億顆恒星到8億年的時(shí)候已經(jīng)擁有10^23顆恒星！ 更大的尺度，引力需要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)生作用，所以恒星在星系形成之前，星系在星系群形成之前，星系群在星團(tuán)形成之前，星團(tuán)在超星團(tuán)和細(xì)絲結(jié)構(gòu)形成之前。 總結(jié)：暗能量掌控宇宙以后，宇宙結(jié)構(gòu)停止“生長(zhǎng)”在經(jīng)歷了這一切之后，最大的尺度（超過(guò)500萬(wàn)到10億到20億光年）將不會(huì)被束縛在一起。如果在我們的宇宙開(kāi)始被暗能量主宰之前，空間區(qū)域沒(méi)有達(dá)到“高于平均密度68%”的門檻，所有的物質(zhì)就會(huì)錯(cuò)過(guò)被引力束縛的機(jī)會(huì)。 目前我們的宇宙中那些沒(méi)有被引力束縛在一起的結(jié)構(gòu)將永遠(yuǎn)不會(huì)被束縛在一起，而絕大多數(shù)可觀測(cè)宇宙，約97%的物體將永遠(yuǎn)會(huì)遠(yuǎn)離我們。已經(jīng)被束縛的結(jié)構(gòu)將會(huì)保持不變：我們的本星系群和其中的星系，室女座星系團(tuán)和其中的星系，還有上圖中這個(gè)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)和其中的星系，但是我們永遠(yuǎn)不會(huì)和室女座結(jié)合，室女座也永遠(yuǎn)不會(huì)和上圖中的這個(gè)星系團(tuán)結(jié)合。 宇宙結(jié)構(gòu)在引力的作用下經(jīng)過(guò)了數(shù)十億年的演化，在45億年前暗能量終于掌控了宇宙，最終宇宙結(jié)構(gòu)的形成也即將結(jié)束。 |
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