一探究竟——可觀測宇宙浩如煙海,它到底是如何形成的?

2020-11-30 騰訊網

宇宙是如何從嬰兒時期走到現在的？

圖中所示區域是0.2%的克卜勒全視野，顯示了天琴座中的數百顆恆星。（圖源：美國國家航空航天局／美國能源部Ames實驗室／加州理工噴氣推進實驗室）

既然宇宙空間大多是真空的，那麼為什麼不是所有的物質都能均勻地分散在其中呢？

簡而言之：與電磁力相比，重力是一種遠距離的力，並且它總是有吸引力。

更詳細的答案（更像是一個故事）如下：

宇宙曾如你所述：物質「均勻地分散在其中」（在術語中，我們稱其為「同質的」），我們能看到它。這是宇宙在嬰兒時期的圖像，僅在大爆炸後38萬年（我們現在距大爆炸有138億年）：

138億年前宇宙大爆炸宇宙形成。圖源：搜狐

這是宇宙微波背景（CMB），這些波動僅是大約其中十萬分之一。

在提出宇宙大爆炸模型之前，就已經預測到宇宙微波背景。圖源：新浪

很同質，對吧？中間的白色部分是我們銀河系的放射源，你可以忽略它們。

到底發生了什麼？宇宙是怎樣變成我們現在觀測到的結構的？

早期宇宙的溫度很高，物質都被電離了。光子不能自由移動，因為它們很快就會被自由電子散射（光子在被散射前平均只能移動一個納米的一小部分）。這意味著早期的宇宙是不透光的，有點類似於當飛機飛入雲層中時，即使你周圍有光線，你也看不到太多東西。因而，我們也看不到比上圖更早的宇宙照片。這也意味著物質和輻射是耦合的。輻射會對物質施加壓力。當物質分布中的超密度以引力吸引物質並開始增長時，輻射壓力將以相反的方向作用，超密度將開始在最小值和最大值之間振蕩。結構無法形成，宇宙仍然相當同質。

當宇宙膨脹時，它冷卻到原子形成的速度快於它們被輻射破壞的速度（當時輻射大約為3,000開）。這被稱為重組時代（這個名字很容易讓人誤解，其實這個時代與「重」沒有什麼關係，只是天文學家沒有找到更合適的命名方式罷了）。當原子形成並捕獲電子時，光子就可以毫無阻礙地自由移動了，於是宇宙就形成了138億年後我們所看到的樣子。

藝術家的想像：巨大的宇宙結構如何使光子在宇宙微波背景(CMB)中偏轉。圖源：快報

這意味著在重組後不久，物質中的超密度（我們稱之為「密度擾動」）可以通過引力吸引物質而增長。隨著超密度的增加，它們的引力作用也隨之增加，而且增長得越來越快。當然，物質也有一個壓力，這有助於抵消重力，防止所有物質的失控引力坍縮。但在預重組時代，它仍然不如輻射壓力有效。所以結構從下到上逐漸形成（見「層次結構的形成」），產生我們現在看到的現代宇宙星系和星系團。

宇宙尺度的形成過程與「結構形成」是非常相似的，只不過是在一個更小的尺度範圍上，即從星系內分子雲中形成恆星（最終形成行星）。在這個過程中，最關鍵的是新坍縮的核心冷卻得足夠快，只有這樣，坍塌才能在分子雲典型生命周期中（大約1,000-2,000萬年）一直持續直到恆星形成。

我本該就此打住，但我實在不想遺漏一個非常重要的部分：暗物質。

宇宙新模型:探索神秘暗物質和萬有引力?圖源：百度知道

如果你運行一個只有正常（重子）的物質和輻射的宇宙模擬，從類似於我們在宇宙微波背景（CMB）中觀察到的初始條件開始，讓它運行138億年（當然這是模擬的時間，這種類型的模擬實際上被廣泛應用於當前的宇宙學研究），結構會形成，但它看起來與我們當前的宇宙完全不同。

從80年代開始出現的觀點是暗物質在層次結構形成中起了重要作用（最近的宇宙微波背景觀測任務，如「威爾金森微波各向異性探測器」和「普朗克」也證實了這一點）。暗物質從輻射中解耦的時間比重子物質早得多，因此它的坍縮也開始得更早。然後它形成了我們所稱的宇宙網，在節點處有絲狀物和片狀物相交，為星系團的形成作了鋪墊。

美國「威爾金森微波各向異性探測器」。圖源：百度

2009年發射入軌的歐洲空間局普朗克空間天文臺。圖源：化石網

只有在宇宙模擬中加入這一點，我們才能（統計上）重現現代宇宙中所觀察到的星系特徵。

作者: quora

FY: LindaF

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