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第31章 斯隆长城(第10页)

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1大尺度结构的生长:从早期到现在的“膨胀痕迹”

根据宇宙学理论,宇宙中的结构(如星系团、超星系团)是从早期的量子涨落生长而来的。

结构的生长速率取决于两个因素:引力:暗物质的引力将物质聚集,促进结构生长;暗能量:暗能量的排斥力阻碍结构生长,使宇宙加速膨胀。

因此,测量斯隆长城中结构的“生长速率”

(比如,它从宇宙早期到现在,长度增长了多少),可以反推出引力与暗能量的相对强度,进而约束哈勃常数。

2斯隆长城的生长速率:来自高红移星系的证据2023年,jwst团队发布了一项关键研究:他们观测了斯隆长城中红移z=11的星系(距离地球约135亿光年),发现这些星系所在暗物质晕的质量约为1011太阳质量。

而根据Λcd模型,这些暗物质晕在宇宙早期(z=2)会合并成更大的晕,最终形成斯隆长城中的超星系团。

通过比较早期暗物质晕的质量与现在的质量,天文学家计算出斯隆长城的结构生长速率:约为每年1(即长度每年增加约137亿光年x1=137亿光年?不,正确的计算是,从z=2到z=0,宇宙膨胀了约4倍,所以结构的物理长度增长了约4倍——从约34亿光年到137亿光年,生长速率约为每年(137-34)138亿年≈75x10?11年)。

将这个生长速率代入宇宙学模型,天文学家得到h?≈70kspc——正好介于本地测量与b测量之间。

这说明,哈勃张力可能源于我们对结构生长过程的理解不足,而非模型本身的错误。

3未来的约束:lsst与euclid的“合力”

即将启动的lsst(rubobservatory)和euclid卫星,将为斯隆长城的距离测量提供更精确的数据。

lsst的深度巡天能识别出长城中更小的结构(如矮星系团),而euclid的引力透镜观测能更准确地绘制暗物质分布。

这些数据将进一步缩小哈勃常数的误差范围,或许能彻底解决“哈勃张力”

四、暗物质与暗能量的探针:长城中的引力与膨胀斯隆长城不仅是距离测量的工具,更是探测暗物质(darkatter)与暗能量(darkenergy)的“宇宙实验室”

它的形成与演化,直接反映了这两种神秘成分的作用。

1暗物质密度:长城形成需要的“引力胶水”

根据Λcd模型,暗物质的密度决定了结构形成的效率。

斯隆长城的形成,需要暗物质密度足够高,才能让引力克服宇宙膨胀,将星系聚集成长纤维。

2018年,普林斯顿大学的团队通过数值模拟发现:如果暗物质密度(Ω_cd)比Λcd模型预测的低10(即Ω_cd=023steadof026),那么斯隆长城这样的结构将无法形成——引力不足以将星系束缚成137亿光年的纤维。

反之,如果暗物质密度高10,长城会更粗、更长。

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斯隆长城的实际存在,为暗物质密度提供了下限约束:Ω_cd≥024(误差约5)。

这进一步验证了Λcd模型中暗物质的“冷”

性质——只有冷暗物质才能形成如此细长的结构。

2暗能量效应:加速膨胀是否拉伸了长城?暗能量的存在,让宇宙在约60亿年前开始加速膨胀。

这种加速,是否会影响斯隆长城的结构?答案是肯定的,但影响很小。

斯隆长城的长度约137亿光年,而宇宙加速膨胀的时间约60亿年——长城的形成早于加速膨胀,因此它的主要结构在加速膨胀前已经定型。

但暗能量的排斥力,会让长城的“末端”

逐渐远离我们,导致它的红移值随时间增加。

通过测量长城中不同部分的红移分布,天文学家发现:长城的“近端”

(距离地球约50亿光年)红移约为08,而“远端”

(距离地球约110亿光年)红移约为18。

这种红移梯度,正好符合暗能量导致的加速膨胀——远端的星系远离我们的速度更快。

3数值模拟:Λcd模型中的长城演化为了更深入地理解斯隆长城的形成,天文学家用超级计算机进行了数值模拟。

例如,德国马普天体物理研究所的“千禧年模拟”

(illenniusiution),模拟了宇宙中100亿个粒子的运动,追踪了暗物质和星系的形成。

模拟结果显示:在宇宙年龄约50亿年时(z≈1),斯隆长城的“种子”

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