为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

  • 小编 发布于 2019-11-27 00:40:05
  • 栏目:科技
  • 来源:量子科学论
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当我们抬头仰望夜空,漫天的繁星无处不在,点缀着黑暗的天空。在良好的观测条件下,人类的肉眼可以看到大约7000颗左右的星星。而我们看到的大部分星星都是银河系内的恒星,如果没有大口径望远镜,遥远恒星微弱的光线肉眼无法看到,但在这些恒星之外,是距离我们数百万甚至数十亿光年更加遥远的星系。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

虽然宇宙星系是相对独立的存在,被称为宇宙中独立的星星岛屿,但我们也可以看到星系大量聚集所形成的更大结构。例如:星群(团),超星系团,拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)!是不是看到陌生的名词了?所以今天就了解下什么是拉尼亚凯亚超星系团?这个超超星系团算不算宇宙中的结构?宇宙中有没有比超星系团更大的结构?

宇宙星系群(团)尺度下的结构

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

在我们银河系所在的本地星系群(团),星系聚集起来的密度通常都比较低,在本星系群中仙女座和银河系是两个最大的星系,接着是小得多的三角座星系,还有几十个更小、更不规则的星系,比如麦哲伦星云。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

比这些小而孤立的星系群更大的星系集合是巨大的星系团,成千上万个银河系大小或更大的星系都集中在同一空间区域内,由于引力的作用,在未来这些星系会结合在一起,最终合并成一个超大星系。在宇宙中某些星系团中的星系正在合并,它们逐渐会演化成宇宙中的终极怪!

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

Abell 2029星系群

虽然星系团在规模上非常庞大,密度也非常大,通常包含了超过1千万亿颗恒星,或者说1万亿的太阳质量,跨越了数千万甚至数亿光年,但是在比星系团更大的尺度上观察宇宙,宇宙的结构还是会变得很清晰。

如果我们把一个空间区域里的所有星系都画出来,我们会发现一小群星系(例如:银河系身处的本星系群)会排列成类似于卷须或细丝的结构。在两条细丝相互交叉的地方,我们可以看到星系团,或者更密集的星系区域。细丝聚集最多的地方,也是星系团聚集最多的地方。那么细丝中间的区域呢?那是巨大的宇宙空洞,几乎空无一物的巨大区域。那里很可能有一些很小,很稀疏的星系,体积和密度低于我们的探测阈值。

在大尺度上,下图就是宇宙星系团的样子。下图中每一个白点都是一个星系,你离远了看,就能看到星系聚集在一起形成的细丝结构,细丝结构的中间就是宇宙空洞。但是比星系团更大的宇宙结构呢?

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

宇宙在超星系团尺度下的结构

相信你肯定耳闻过超星系团这个词,我们的银河系所在的本星系群是一个更大宇宙结构中的一部分,这个结构包括附近的其他星系群和邻近的巨型室女座星系团,组成了我们的本(室女座)超星系团。而本超星系团只是众多超星系团中的一个,超星系团自身也会排列在一起,形成一个更大的宇宙结构!

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

这个和星系团也是类似的,在更大的尺度上,超星系团的丝状结构,也会相连相交,细丝之间也有巨大的空洞,总体就构成了一个更大的宇宙网。我们认为这(宇宙的大规模结构)是宇宙的终极形态(结构)。

什么样的结构才能算“真正的结构”

通过我们对引力最佳的模拟,包括正常物质、暗物质和暗能量的正确添加混合,并以任意精度再现了我们实际观察到的宇宙,精确的模拟告诉我们:我们在正确的物理理论上理解了我们所生活的宇宙。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

但问题是:仅仅因为某个东西看起来像一个结构,并不一定意味着它就是一个结构。现在考虑一下宇宙中最简单的结构之一:一个质子和一个电子,相距仅100皮米左右。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

我们说质子和电子构成的这个结构就是一个氢原子,没有问题。前提是质子和电子的动能要足够小,它们才可以在电磁力的作用下结合在一起!如果这个电子以接近光速的速度运动,质子和电子就会迅速地分开,根本不会结合在一起!也就是说被束缚在一起的才能算结构。

在讨论宇宙中最大的尺度时,我们为什么要提出像原子那样小的东西呢?因为同样的原则也适用于宇宙结构。

拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

上图是拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)的地图,一个包含了室女座超星系团、长蛇-半人马座超星系团和孔雀-印地安超星系团的更大的超超星系团。其中有大大小小的星系团近300到500个。

上图中这个橙色线内团状物直径约为5亿光年,包含大约100千万亿太阳质量,大约是银河系质量的10万倍。我们银河系就唯一其中某一条絮状物的“流苏”上!

但拉尼亚凯亚超星系团究竟是一种结构吗?

事情是这样的。如果宇宙只由物质组成, 那么宇宙就没有加速膨胀来对抗内部所有结构的引力。只要时间足够长,不仅是星系团,超星系团甚至是更大的丝状结构都会在引力的作用下塌缩,并随着时间的推移逐渐形成越来越大的束缚实体和结构。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

这些形成的结构不仅会包含成千上万甚至数十亿个星系,跨越数十亿甚至数百亿光年;在引力的作用下最终通过收缩、合并形成一个星系,这个星系的规模之大足以与目前可观测到的宇宙相匹敌!

但是我们并不是生活在一个完全由物质构成的宇宙中,无论这些物质是正常的还是黑暗的。而我们生活在一个由暗能量主导的宇宙中,暗能量是空间自身固有的能量。如果有暗能量的存在就足以改变宇宙中的结构。换句话说,有暗能量,宇宙的结构大小就有界限。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

因为在宇宙存在的最初80亿年间,在引力作用下各种各样的结构不断地生长。星系形成并束缚在一起,星群和星团形成相互吸引,束缚在一起,甚至更大尺度的结构开始形成,因为万有引力开始将这些结构相互吸引,以对抗宇宙的膨胀。

宇宙诞生后的80亿年间,结构是如何成长起来的?关于这个问题大家可以通过头条APP搜索「宇宙丝状结构是如何成长起来的?」第一篇文章是我之前发表的,里面有详细的介绍。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

但是大约60亿年前,暗能量掌控宇宙并开始加速。这意味着,在前80亿年间还没有被引力束缚在一起的结构,以后都不会结合在一起。相反,宇宙的加速膨胀会让这些结构互相分离。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

现在来看下我们的拉尼亚凯亚超星系团,虽然我们可以看到超超星系团中的星系群、星系团和超星系团的牵引力效应,而且当我们考虑星系数量和相对密度时,它们看起来确实像一个超超星系团,但事实是,它们并不是引力束缚结构,超超星系团的大小永远不会在引力的作用下缩小,在未来超超星系团的成员也不会合并在一起。

总结:宇宙中没有比超星系团更大的结构

这就要说到上文提到的原子的,质子和电子结合称为结构,是因为电磁力的束缚。没有电磁力的束缚,单个质子和电子我们也不会把它们称为一个原子。这和超超星系团的道理一样。

因此由于暗能量的存在,我们现在称之为的“超超星系团”通常不受引力束缚,所以它们也不是宇宙中的类似星系、星系群(团)和超星系团的结构。

为什么说超星系团是宇宙中最大的星系结构?

所以拉尼亚凯亚超星系团中所有的星系团成员,既不与我们的星系群相连,彼此之间也不会相连,虽然它们的距离和质量足以影响我们在太空中的运动速度,但这又不足以改变我们的宇宙命运,或让我们在未来结合到一起。我们仍然可以称它们为超超星系团,但它们并不是真实的宇宙结构,因此并不那么“超级”!

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