从量子波动到星系形成：引力盆地让我们离宇宙真相更近了

图虫创意

引力盆地，听起来可能有点像地球上的自然奇观，但在宇宙中，它们却扮演着至关重要的角色。想象一下，宇宙就像一片广阔的沙滩，当海浪冲刷时，会在沙滩上留下低洼的洼地，这些洼地就是引力盆地。这些宇宙洼地通过它们强大的引力，吸引和聚集周围的物质，形成了星系和星系团。大家好，我是中国科学院国家天文台的苟利军。今天，我就和大家聊聊这个和宇宙结构密切相关的现象——引力盆地。

首先，让我们看一下现在的宇宙学标准模型Λ冷暗物质，宇宙的大尺度结构是怎样的。ΛCDM模型是目前宇宙学中最为主流的理论框架。它认为宇宙的组成主要包括暗能量，达到了70%左右，它用希腊字母Λ表示，除此之外，还包括冷暗物质和普通物质。宇宙的大尺度结构起源于早期宇宙膨胀时期的量子波动。这些微小的密度扰动在引力的作用下，随着时间逐渐增长，形成了今天我们所见的复杂宇宙结构，包括星系、星系团和更大的超星系团。

在ΛCDM模型中，暗物质起到了引力胶水的作用。虽然我们无法直接观测到暗物质，但其引力效应对宇宙结构的形成至关重要。暗物质通过引力吸引，使得物质在空间中聚集，形成了所谓的“宇宙网”结构。这种宇宙网由密度较高的丝状结构和密度较低的空洞组成，星系和星系团主要分布在这些丝状结构的交汇处。

接下来，我们来看一下什么是引力盆地，以及它们为何对星系运动至关重要。引力盆地可以被理解为宇宙中引力势能较低的区域，就像地形中的洼地会吸引水流汇聚一样，这些区域会吸引周围的物质向其运动。由于引力的作用，星系和物质会自然地沿着引力梯度向引力盆地移动。这种物质的流动被称为宇宙流，反映了物质在大尺度引力场中的运动。

引力盆地对星系运动的重要性在于，它们主导了物质在宇宙中的流动方向和速度。通过研究引力盆地的位置和性质，科学家可以更准确地预测星系的运动轨迹和速度分布。这对于理解宇宙大尺度结构的形成和演化，以及验证宇宙学模型都有着重要意义。

而就在今年（2024年）9月，一个包含以色列、德国、法国以及美国科学家的研究团队报道了一项关于引力盆地的新进展。他们利用最新的宇宙流4（CF4）的数据，并采用汉密尔顿蒙特卡罗算法，成功地重建了距离地球约10亿光年范围内的宇宙大尺度结构。这种方法允许科学家对宇宙的引力场进行概率性评估，从而更准确地识别出对星系运动至关重要的引力盆地。该研究已发表在《自然•天文学》杂志上。

此前的观测表明，银河系属于拉尼亚凯亚超星系团的一部分。然而，新的数据揭示了一个不同的图景：我们所在的星系团其实是巨大的沙普利盆地的一部分。同时，被称为“史隆长城”的星系结构被确认为最大的引力盆地，其体积约为5亿立方光年，几乎是之前认为最大的沙普利盆地的两倍多。

这些发现为何被视为宇宙学的一大进步？首先，它为我们提供了关于宇宙引力格局的新视角。通过识别和绘制这些引力盆地，科学家们能够更深入地了解物质在宇宙中的分布和流动方式。这对于验证和改进现有的宇宙学模型，如ΛCDM模型，具有重要的指导意义。

其次，这个研究揭示了星系和宇宙结构随时间演变及相互作用的方式。引力盆地的识别帮助我们理解了星系如何在引力的作用下移动和聚集，从而形成复杂的宇宙网结构。这对于解答一些基本的宇宙学问题，如暗物质的分布和推动宇宙加速膨胀的原因，提供了新的线索。

总的来说，这项研究加深了我们对宇宙复杂引力动力学的理解，也让我们更清楚地认识到塑造宇宙结构的力量。识别这些引力盆地不仅是宇宙学研究的一大进步。通过绘制这些吸引星系和物质的重要区域，我们能够更加深入地认识宇宙的历史及其演化，进一步解答关于宇宙本质的最基本问题。希望今天的分享，大家对引力盆地和宇宙的大尺度结构有了更深入的了解。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：苟利军

审核：韩文标 中国科学院上海天文台 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司