可觀測宇宙直徑940億光年,它獨佔100億光年,是目前宇宙最大結構

2020-11-24 騰訊網

在天文學上,人們使用的距離單位叫做光年,也就是宇宙中速度最快的光在一年時間內傳播的距離。根據計算,這個距離大約是9.46萬億公裡。

這個距離對於人類來說已經非常誇張了,但是放在宇宙範圍內,卻顯得如此微小。即使是最近的比鄰星,距離我們也有4.24光年,也就是40萬億光年。以人類飛行最遠的探測器旅行者1號來說,它想飛到比鄰星也需要數萬年的時間。

可是,比鄰星僅僅是距離太陽系最近的恆星,它和數千億顆恆星一起組成了太陽系的家園——銀河系。這個巨大的銀河系,直徑達到了10萬光年,更是人類無法企及的距離。可是,在宇宙中,還有一個更加巨大、更加驚人的結構,其尺度大到連銀河系都顯得微不足道,那就是武仙-北冕座長城(Hercules-Corona Borealis Great Wall)。

用震驚來形容人類知道它尺寸時的心情,一點都不為過。據測量,武仙-北冕座長城的直徑有100億光年以上,是銀河系的10萬倍。也就是說,如果銀河系是一粒小米,武仙-北冕座長城的高度相當於一座35層的高樓!

(圖片說明:我們銀河系所屬的拉尼亞凱亞超星系團,直徑達到了5.2億光年,但是在武仙-北冕座長城面前仍然只是個小不點)

當然,銀河系和它屬於兩個不同級別的宇宙結構,這樣的對比有點過分。但是,銀河系所屬的拉尼亞凱亞超星系團雖然和武仙-北冕座長城是同一級別的宇宙結構,但尺寸也僅有5.2億光年,和它相比簡直微不足道。要知道,可觀測宇宙的直徑也才只有940億光年,它就獨佔100億光年,可見它的尺度幾乎已經沒有對手了。

那麼,這個武仙-北冕座長城到底是何方神聖呢?

2013年,天文學家I. Horváth、J. Hakkila和Zs. Bagoly等人所領導的一隻團隊,正在使用雨燕衛星和費米伽瑪射線空間望遠鏡準備觀測宇宙深處的伽馬射線暴(Gamma Ray Bursts,縮寫:GRB),這種宇宙結構通常被稱作GRB長城。

就是在這個過程中,他們在武仙座和北冕座方向發現了一片長達100億光年的異常伽馬射線暴。通過計算,他們證明在這100億光年的範圍內僅僅是隨即出現大量離散的伽馬射線暴幾乎是不可能的,這意味著它是一個連綿不斷的整體,其寬度就是100億光年,佔了可觀測宇宙直徑的10.7%。

它的尺寸如此巨大,以至於2014年在新聞發布會上介紹這個發現的時候,聯合作者、南卡羅來納州查爾斯頓學院的天文學研究員Jon Hakkila表示:「我現在還認為它大得太不合理。即使作為聯合作者,我仍然半信半疑。」

武仙-北冕座長城的存在不僅僅是超越了我們對宇宙結構尺度的認知,甚至挑戰了科學家的宇宙理論。在發現它的時候,科學家們還相信宇宙是均勻的,也就是宇宙的各向同性。換句話說,當我們把觀測尺度放到足夠大時,不論朝哪個方向觀測,宇宙都長得一模一樣。這不僅僅是符合長期以來的觀測結果,而且在理論上也是成立的。

但是,武仙-北冕座長城的出現挑戰了這一理論,宇宙在這裡有著較高的密度,從質量上來說似乎打破了宇宙的各向同性。這麼大的密度會讓宇宙各處受力不均衡,按照理論來說,它甚至有可能阻止宇宙的膨脹。對此,科學家們一直非常不理解。雖然最近越來越多的證據顯示宇宙確實是不均勻的,但武仙-北冕座長城的尺度仍然讓我們十分困惑。

那麼,武仙-北冕座長城到底是怎麼形成的呢?

據觀測,武仙-北冕座長城位於100億光年以外,這意味著它在100億年之前就形成了——這本身就很難理解,因為那個時候的宇宙才只有38億年的年齡,按照現有的理論是無法形成如此龐大的宇宙結構的。不過,既然事實已經擺在這了,科學家們仍然不屈不撓地試圖尋找解釋它的方法。

他們相信,在武仙-北冕座長城一定有一個非常巨大的超星系團,而且它擁有著極高的恆星形成率。據推測,這裡有大量的大質量恆星,因為只有它們才能形成伽馬射線暴。

(圖片說明:伽馬射線暴,宇宙中最強烈的天體活動之一)

實際上,武仙-北冕座長城雖然突破了科學家的認知,但這也不是我們第一次發現類似的巨型結構了。比如長達14億光年的斯隆長城、跨幅達40億光年的巨型超大類星體群……它們雖然沒有武仙-北冕座長城這麼巨大,但也能夠向我們暗示一個事實:在我們的宇宙中,這樣的巨大結構並不罕見。

正因為如此,Jon Hakkila才認為武仙-北冕座長城恐怕也不能長時間保持自己的紀錄,未來很可能有更加巨大的結構被我們發現。正如他所說的那樣:「發現宇宙中最大的、或最遙遠的、或最古老的東西並不是永遠『安全』的,它們很有可能被更大、更遙遠、更古老的東西所代替。」

沒錯,雖然武仙-北冕座長城直徑佔據了宇宙的十分之一,但是按照體積來算,也只有千分之一。宇宙中還有非常廣袤的空間,允許潛在的更巨大結構存在。也許在不遠的將來,科學家就會發現比武仙-北冕座長城還要巨大的宇宙結構,再一次讓世人為宇宙的神奇而大吃一驚。

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    根據宇宙大爆炸的演化模型,我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲,宇宙從一個半徑無窮小的點膨脹為如今的宇宙,由於光速不變,於是以任何一個點為中心,較遠距離上發出的光線將沒有足夠時間到達地球,於是才有了可觀測宇宙的概念。可觀測宇宙:指以觀察者為中心的球體空間內,所有物體發出的光都有足夠時間到達觀測者,也稱作哈勃球體。
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    將這一因素納入考慮之後,天文學家們的計算結果顯示,那些從138億光年外發出的光線,產生這些光線的古老天體,由於宇宙的膨脹,今天它們和我們之間的距離已經達到了大約465億光年左右。    這一數值是我們目前對於可觀測宇宙半徑的最佳估算。將這一數值乘上一倍,我們就能獲得可觀測宇宙的直徑,大約是930億光年。
  • 宇宙最大結構——武仙-北冕座長城——100億光年
    武仙-北冕座長城(英語:Hercules-Corona Borealis Great Wall)是宇宙中一個由星系組成的巨大超結構,延伸超過100億光年,是可觀測宇宙中已知最巨大的結構。天文學家於2013年11月使用雨燕衛星和費米伽瑪射線空間望遠鏡的觀測資料將發生在遙遠宇宙的多次伽瑪射線暴位置繪製成分布圖時發現了這個巨大結構。武仙-北冕座長城是大尺度纖維狀結構的一部分,或者是以重力結合的巨大星系集群。該長城的長度最長端橫跨約100億光年,另一端的長度則是72億光年,是宇宙中已知最大的單一結構。
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