首次证明：单个原型结构增长可以计算出来，揭开了宇宙中的结构！

宇宙中充满了数千亿个星系，但它们在空间中的分布远非均匀。为什么我们今天在宇宙中看到了如此多的结构，它是如何形成和生长的？在智利卡内基拉斯坎帕纳斯天文台使用麦哲伦·巴德望远镜对数以万计的星系进行了为期10年的观测，提供了一种新的方法来回答这个根本的谜团，由卡内基大学丹尼尔·凯尔森领导的研究成果现发表在《皇家天文学会月刊》上。

你怎么形容这种难以形容的东西？凯尔森解释道：采取一种全新的方式来解决这个问题。合著者安德鲁·本森说：研究策略为我们提供了新的、直观的洞察力，让我们了解到从宇宙最早的时候起，引力是如何驱动结构增长的，这是对宇宙学支柱之一的直接、基于观测的测试。卡内基-斯皮策-iMacs红移观测的目的是：研究过去90亿年来星系增长与周围环境的关系，当时定义了现代星系的外观形状。

图示：紫色表示低密度区域，红色表示高密度区域；回溯时间，研究发现揭示了密度波动（最右边的紫色和蓝色）创造了宇宙最早的结构，这与从大爆炸余辉中了解到的古代宇宙一致，这被称之为宇宙微波背景(最右边的黄色和绿色)，研究通过测量近10万个星系的距离和质量得出了结果，这些星系可以追溯到宇宙只有45亿岁的时候，卡内基-斯皮策-iMacs红移观测研究的大约35000个星系在这里被表示为小球体。

第一批星系是在大爆炸几亿年后形成，大爆炸开始时宇宙是一个由极高能量粒子组成热而浑浊的汤。当这种物质从最初的爆炸向外膨胀时，它冷却了，粒子聚合成了中性氢气。一些“斑块”比其他“斑块”密度更大，最终，它们的引力克服了宇宙向外膨胀的轨迹，物质向内塌陷，形成了宇宙中的第一团结构。密度差异使得一些地方可以形成大大小小的结构，而另一些地方却不能形成，这一直是一个令人着迷的话题。

但到目前为止，天文学家对宇宙过去130亿年来，宇宙结构如何增长进行建模的能力，面临着数学上的限制。宇宙中所有粒子之间发生的引力相互作用太复杂了，无法用简单的数学来解释。因此，天文学家要么使用数学近似（这损害了模型的准确性）要么使用大型计算机模拟，对星系之间的所有相互作用进行数字建模，但不是所有粒子之间发生的所有相互作用，因为这被认为过于复杂，研究的一个关键目标是统计在大量遥远星系中发现的恒星质量。

首次证明

然后利用这些信息来制定一种新的方法来理解宇宙中结构是如何形成。研究小组还包括卡内基的路易斯·阿布拉姆森、香农·帕特尔、斯蒂芬·谢克特曼、艾伦·德雷斯勒、帕特里克·麦卡锡和约翰·S·马尔凯，以及优步技术公司(Uber Technologies)的里克·威廉姆斯，他们首次证明了单个原型结构的增长可以计算出来，然后在整个空间进行平均。研究表明：密度越大的团块生长越快，密度越低的团块生长越慢。

然后，研究人员能够反向工作，并确定密度波动的原始分布和增长率，这最终将成为决定我们今天所看到星系分布的大尺度结构。从本质上说，研究提供了一种简单而准确的描述：说明了密度波动为什么以及如何以它们在真实宇宙中的方式增长，以及在基于计算的研究，提供了一种支持我们对宇宙幼年的理解，凯尔森补表示：它就是这么简单，真的很优雅。如果没有在拉斯坎帕纳斯安排非常多的观察之夜，这些发现是不可能的。

天文台台长约翰·马尔柴伊说：许多机构没有能力独自承担这种规模的项目，但多亏了我们的麦哲伦望远镜，才得以进行这项观测研究，并创造了这种新颖的方法来回答一个经典问题。凯尔森也表示：虽然毫无疑问，这个项目需要卡内基这样的机构资源，但如果没有我们能够在基特峰和塞罗托洛获得的大量额外红外图像，其研究也不可能发生，这两个地方都是NSF国家光学-红外天文研究实验室的一部分。

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博科园｜研究/来自：卡内基科学研究所

参考期刊《皇家天文学会月刊》

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