新研究發現龐大宇宙泡狀結構橫跨10億光年
【大紀元2023年11月05日訊】（大紀元記者林達編譯報導）新發現的一個巨大天體結構或可解釋宇宙誕生初期所發生的物理過程。
宇宙製圖師布倫特‧塔利（Brent Tully）在查看其團隊最新繪制的本地宇宙中56,000個星系的位置及運動的高精度地圖時，注意到一個巨大的環形結構，並稱其為「霍萊拉納」（Ho’oleilana，夏威夷語中意為甦醒時發出的低語）。
「其直徑有十億光年，」他在巴黎-薩克雷大學（Paris-Saclay University）的同事丹尼爾‧波馬雷德（Daniel Pomarède）回憶道。 「這正符合我們對重子聲學振盪（BAO，baryon acoustic oscillation）殻層的預期。我和塔利一起工作了13年，我們從未討論過親自發現它的可能性。」
BAO代表「重子聲學振蕩」，是一種在宇宙誕生初期產生的被凍結的聲波。在大爆炸後的最初幾十萬年里，整個宇宙是一個類似於太陽內部的沸騰而致密的等離子體，其中的某些熱點會散發出壓力波。但是，一旦膨脹的宇宙達到 38 萬歲，等離子體就會冷卻並變薄，使這些壓力波振蕩失去了傳播的介質。
這留下了以那些之前的熱點為中心的巨大殘餘泡狀結構，每個泡中都含有稍多的重子。重子是物質的基本組成成份，包括像中子和質子等。數十億年來，重力將額外的物質拉入那些具有較多重子的區域，星系和星系團優先沿著其邊界形成類似薄殼的結構，就像塵埃落在肥皂泡上一樣。天文學家從對大片天空中數十萬個星系的調查中瞥見了這些大規模的圖案。但在塔利和波馬雷德的發現之前，沒有人發現過單獨的BAO結構。
這個被科學家稱為Ho’oleilana的結構，其大小與理論預測的BAO結構大小不吻合。這種差異可能意味著早期宇宙的條件並不完全符合天文學家的預期，或者該結構僅僅看上去像是 BAO，而實際上只是星系的偶然排列所致。塔利和波馬雷德認為他們的發現可以用來探測宇宙的基本特性。但為此，他們還需要說服同行。
機緣巧合的驚人發現
波馬雷德認為機緣巧合（serendipity）在其職業生涯中發揮了重要作用。許多年前，在非洲布基納法索的首都瓦加杜古市的一次會議上，當塔利走近他時，他正在展示自己創建的用於可視化天文數據的計算機程序。塔利「看著我，說，『我一生都夢想擁有這個軟件，』」。
此後，兩人合作詳細繪制了宇宙環境地圖。 2014年，他們共同發現了「拉尼亞凱亞超星系團」（Laniakea Supercluster），它由大約10萬個近鄰星系組成，綿延超過5億光年，其中也包括銀河系。澳大利亞昆士蘭大學的卡蘭‧豪利特（Cullan Howlett）說，最新的數據集使用多個望遠鏡獲得的信息來測量天體的距離，其精準度達到0.001%。豪利特也是關於Ho’oleilana研究的共同作者。
正式在查看這個涵蓋了之前的天體目錄所沒有的大量更遙遠天體的數據集時，塔利發現了Ho’oleilana。這個球形的星系集合體距離地球大約 8.2 億光年。在其中心坐落著「牧夫座超星系團」（Bootes superclusters），它是由大約十幾個星系團組成的兩個集合，而氣泡的邊緣則包括其它巨大的宇宙結構，例如「史隆長城」（Sloan Great Wall）、「北方長城」（CfA2 Great Wall）、和「武仙座超星系團」（Hercules Supercluster）。該團隊的發現9月5日發表在《天體物理學期刊》（Astrophysical Journal）的兩篇論文中。
任何單個BAO的大小都是由早期宇宙原始等離子體中的聲速所決定的，這種聲速大約是光速的一半。這產生了具有特定振幅的壓力波，這些壓力波因後來的宇宙膨脹而延伸到略小於5億光年的範圍。但Ho’oleilana的半徑實際上比預期的半徑大10%左右。對於塔利及其同事來說，這可能蘊含了新生宇宙的一些重要特性。
根據宇宙學的標準模型，那些早期的熱點應該隨機散布在整個空間中。豪利特說：「但宇宙學基本模型可能無法預測某些內在模式，而這種模式可能導致我們附近的天體比理論預計的要大。」
人們認為，熱點本身是在大爆炸後瞬間發生的暴脹期。在這個時期，整個宇宙的尺寸急劇膨脹。原始宇宙中的微觀亞原子量子漲落會被放大到宏觀水平，產生可能隨機分布的冷熱斑塊，這些斑塊後來形成了BAO。
豪利特表示，宇宙膨脹作為一個概念自20世紀80年代以來就已存在，「但對於其發生的具體細節，存在一百萬種不同的理論。」原則上，對稍大的BAO進行解釋或有助於物理學家縮小理論範圍，經過這樣篩選後如果能得到單一的理論是最理想的狀況。
其它可能的理論詮釋
當然， BAO的異常大小也可能將科學家引導至其它的可能結論。暗能量光譜儀器（DESI）項目的聯合發言人、猶他大學的凱爾‧道森（Kyle Dawson）表示，約十億光年大小的泡泡，其輪廓極其微弱，只有在遠距離檢查大量物體時才會變得明顯。他更傾向於相信這一最新發現純屬巧合，是一種偶然的排列，看起來就像一個球體，其半徑剛好約略符合理論對BAO的預期。
為了確定這種僥倖情況發生的頻率，豪利特創建了計算機模擬，對宇宙進行了建模。在他所作的256次模擬中，只有兩個模擬宇宙產生了類似於 BAO 的特徵。即便如此，這兩個模型也不如新發現的Ho’oleilana那樣更像BAO。豪利特說，這表明宇宙中意外生成此類結構的可能性不到1%。
而道森則並不完全相信，「但仍有百分之一的可能性它會（自然）發生。」
DESI的另一位聯合發言人娜塔莉‧帕蘭克-德拉布勒耶 （Nathalie Palanque-Delabrouille）則認為該研究團隊的論述頗有說服力。她說，「在假定的BAO形成後，星系和星團之間隨後的引力相互作用可能會導致其大小扭曲。」她補充道，「不完全匹配的事實可能只是因為，在這種特殊情況下，星系的運動使得該特徵不再完全符合預期。」
她建議，未來的觀察可以嘗試確定各個BAO之間存在多少差異，或許可以解釋為什麼這個BAO略有偏差。
DESI項目準備幫助解決這個問題，並可能成為尋找像Ho’oleilana這樣的其它結構的關鍵。該暗能量光譜儀器安裝在亞利桑那州圖森市郊外沙漠中的基特峰山頂的四米大的邁爾望遠鏡上，正在繪制本地和遙遠宇宙中4000萬個星系的詳細三維圖。所調查的宇宙區域應該足夠大，以便DESI能夠詳細查找和研究BAO。
波馬雷德說，來自歐洲航天局最近發射的歐幾里得衛星以及平方公里陣列等地面望遠鏡的更多信息將幫助宇宙學家繪制出更好的星系和星系團圖。在從事這樣的工作時，他常常會感覺自己正在參與人類探索周圍宇宙環境的漫長過程，以便更好地了解人類在宇宙中的位置。
塔利也有同感。 「隨著細節的填充，我們看到了更豐富的複雜性，」他說，「我們越來越欣賞我們稱之為家的地方。」
責任編輯：孫芸
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