巨环与巨弧，超级结构背后的奥秘，或带来物理领域的新发现

超大的星系环或将带领我们走向新的物理领域。原因为何——

这个星系环被恰当地命名为“巨环”，周长近40亿光年。

巨环（红色标注）和巨弧（蓝色标注）在天空中的位置。

（图源：模拟星空）

一个位于星系和星系团之间上部的环状结构——如此之大而显得难以解释——近日被发现。这是一个扎根宇宙深处的结构，我们推测它的存在已有92亿年。

这一超级结构被称作为“巨环”，直径30亿光年，周长约四十亿光年。同时它还接近另一个巨大的超级结构，“空中巨弧”，实际上它的直径还多33亿光年。巨弧和牧民Boōtes星座离我们的距离相同。可惜这些超级结构太暗了，因此我们无法使用后院望远镜看到。

事实上，这些被观察到的超级结构都是由亚力克斯·卢普兹阿帕奇角斯隆数字巡天的2.5米望远镜在的新墨西哥州发现。有趣的是，卢普兹作为英国中心兰开夏大学的博士生而发现的这些超级结构中的星系并不是因为它们本身很亮，而因为它们吸收了一些来自更远类星体的光。类星体是活跃星系中极亮的内部结构，由超大质量的黑洞来提供动力。卢普兹在一次声明中指出：“在十分靠近的构造中识别出两个超大型结构提高了它们共同形成更复杂的宇宙系统的可能性。”

巨环实际上甚至不能被称作一个环——它盘旋得如同一段弹簧，而我们所看到的只是它的边缘。

巨环和巨弧（以及其他类似的超级结构）仍然存在的问题还是它们背离了现有的宇宙学理论。

按照理论来说，宇宙中任何结构都可以追溯到宇宙微波背景（CMB）辐射——所谓科学家观察到充满了宇宙的“宇宙大爆炸的火球”。在宇宙历史前三十万年之间，宇宙是密集的等离子体海洋——即原子核和自由电子。波浪穿过这个等离子体，物质聚集在峰顶上，在槽中变得更加稀疏。科学家称这些波为质子声振荡或BAO。

然而，在这30万年后，宇宙的温度冷却到足以让原子核吸收大多数电子并形成完整的原子。你可能会说，宇宙等离子体海洋“干涓了”；宇宙学家称其为“重组时代”。没有不断散射光子的电子，光第一次能够不受阻碍地穿过宇宙。这就是我们检测到的CMB。

宇宙微博背景辐射在密度较大或较小的区域中温度会有细微的变化。这是在重组时代之前等离子体最终声波的印记。波峰所代表的即我们所称的宇宙物质网，在这些波峰上正是星系和星系团开始形成的地方。

巨环的中心在X轴上接近0，跨度大概在-650到+650之间，相当于大约13.7亿光年。（图源：SDSS/亚历克希雅·卢普兹（中心兰开夏大学）

“一种可能是，巨环与重子声学震荡有关，”卢普兹说，“【这些】产生于早期宇宙的震荡，今天至少应以星系排列中的球壳形式出现。然而，对巨环的详细分析表明，他与BAO的解释并不真正兼容：巨环太大，并且不是球形。

宇宙学理论认为最大的结构——以星系链和星系团的形式存在——BAO可能形成的长度最多为12亿光年。然而巨环的周长和巨弧的长度使这一限制相形见绌。为了说明这些超级结构的巨大程度，巨弧是整个可见宇宙半径的十五分之一。

宇宙中还有其他巨大的超级结构，比如斯隆长城，横跨13.7亿光年，距离我们约10亿光年。最近发现的结构星系南极长城长达14亿光年。以及Clowes-Campusana LQG（共同发现者Roger Clowes也是卢普兹的博士生导师），一个巨大的类星体群，横跨20亿光年。我们看见的这些古老类星体已存在大约95亿年。

银河系是其中一部分的拉尼亚凯亚超星系团相比之下显得很小，长仅5.2亿光年。根据线索，甚至还存在着更大的结构；“暗流”就展示出可见宇宙中许多星系的表象运动。这种运动似乎朝着首选方向流动，好像宇宙地平线上的什么东西在单向拉动星系。然而，暗流证据的强度仍存有争议，一些天文学家对其存在笼统地提出异议。

尽管如此，这些超级结构是如此之大，不仅难以理解它们是如何形成的，也很难解码它们如何打破宇宙学原理，这是宇宙学标准模型的核心原则。这一原则指出，在大规模上，宇宙中物质的分布应该是均匀的，任何区域都不应该与任何其他区域有实质性的差异。但显然，超级结构，特别是巨环和巨弧，非常突出。

“在我们目前对宇宙的理解中，这两个超大结构都不容易解释。”卢普兹说，“它们的超大尺寸、独特的形状和宇宙学的接近性肯定告诉我们一些重要的事情——但到底是什么？”

一种可能性是，这些结构暗示了目前已知的物理学的奇特形式，甚至可能是新的物理学。例如，诺贝尔奖获得者、牛津大学名誉教授罗杰·彭罗斯爵士提出了一个名为共形循环宇宙学的模型来描述一个循环宇宙。根据这个模型，来自宇宙前亿万年的引力波的证据可以在CMB中表现为巨大的环形结构。Penrose的模型在宇宙学家中并不受欢迎，巨环和巨弧能提供一个有价值的机会吗？

另一种可能性是，超级结构是宇宙弦的证据，一种假设的时空单维缺陷，被认为是在大爆炸期间形成的。宇宙弦可能跨越数十亿光年，但比质子的宽度更窄。有人认为，如果宇宙弦存在，它们可能会影响物质的聚类。

卢普兹总结道，当我们努力理解宇宙及其发展时，巨环和巨弧，无论是单独还是一起，都给我们带来了一个巨大的宇宙学谜团。

卢普兹在天文学会第243次会议上介绍了研究结果。

BY:Keith Cooper

FY:老羊

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