宇宙星系的排列是规则的还是完全随机的?


时间:2021-06-02  来源:  作者:  点击次数:


原标题:宇宙星系的排列是规则的还是完全随机的?来源:新浪科技

据国外媒体报道,天文学家正在接近一个古老问题的答案。几十年来,宇宙学家一直在怀疑宇宙的大尺度结构是否是分形的,即宇宙在任何尺度下看起来都是相似的形状。在完成了对许多星系的大规模调查后,科学家们终于找到了答案:宇宙不是分形的,但在某种程度上,它像分形。

20世纪初,埃德温哈勃首先发现了我们与仙女座星系(距离银河系最近的星系)之间的巨大距离,天文学家开始意识到宇宙的浩瀚几乎是不可想象的。另一方面,天文学家也观察到了分散的星系,包括远星系和近星系。那么,一个问题就自然产生了:这些星系是规则排列的还是完全随机排列的?

起初,这一切似乎都是随机的。天文学家已经看到了巨大的星系团,每个星系团包含数千个甚至更多的星系;还有一些小得多的星系团,而另一些则独自在宇宙中漫游。从这些观察来看,宇宙中似乎没有普遍的模型。

天文学家不介意。长期以来,他们一直假设有一个概念叫做“宇宙学原理”,即宇宙基本上是均匀的(各处大致相同)和各向同性的(无论往哪个方向看大致相同)。一系列随机的星系和星系团正好符合这个原理。

然而,在20世纪70年代末,星系研究更深入,开始揭示星系排列的模式。除了星系团,还有细长的大尺度纤维结构;在宇宙的大尺度结构中,还有所谓的“长城”,又称“巨墙”。星系和星系团的分布并不均匀,而是连成一条带状结构,有的甚至长达5亿光年,宽3亿光年,厚1500万光年;然后就是“空”,也就是纤维状结构之间的空间,几乎不含或根本不含星系。天文学家称这一切为“宇宙网”。这个模型违反了宇宙学原理,因为它意味着宇宙的大面积似乎与其他大面积不一致。

因此,关于宇宙大尺度结构模型的故事可能会更多。

宇宙中的宇宙

数学家、分形之父伯努瓦曼德尔布罗提出了一个有趣的观点。分形很难定义,但是我们可以直观的理解:分形是重复的几何图案,无论缩放多少次,分形的每个部分都是(至少近似)整体缩放后的形状。本华曼德伯格并没有发明“分形”这个概念。数学家多年来一直在研究自相似模式。然而,他创造了“分形”一词,并领导了对这一概念的现代研究。

分形随处可见。放大雪花的一角,你会看到微型雪花。放大树枝,你会看到细小的树枝;放大海岸线,你会看到微型海岸线。自然界中,分形几乎无处不在,分形数学使我们能够理解宇宙中各种自相似的结构。

本华曼德伯格猜想,如果分形无处不在,那么也许整个宇宙就是一个分形。也许我们看到的星系排列模式是最大分形的可能开端。也许,如果我们以足够的精度去考察宇宙的结构,就会发现隐藏的结构——,它将整个宇宙填充到广阔的边界。

同质性的宇宙尺度

随着对宇宙网认识的不断加深,天文学家对大爆炸的历史有了更深入的了解,并想出了各种方法来解释宇宙中存在的大尺度模型。这些理论预测宇宙仍然是均匀的,只是比天文学家以前观察到的规模大得多。

分形宇宙的最终测试要到本世纪才会到来,那时真正大规模的调查,如斯隆数字天空调查(SDSS),将能够绘制数百万个星系的位置,并以前所未有的规模绘制宇宙网络的图像。

如果分形宇宙的观点是正确的,可以想象,我们的局域宇宙网络将嵌入到一个更大的宇宙网络中。如果这种观点是错误的,那么在某个临界点,宇宙网将不再是宇宙网,而是一个随机的“宇宙块”,大到看起来像任何其他随机块。结果是同质性,只是规模惊人。你需要大约3亿光年才能发现宇宙趋于均匀。

宇宙肯定不是分形的,而是宇宙网络的某些部分

仍然具有有趣的分形性质。例如,被称为“晕”的暗物质团承载着星系及星系团,形成嵌套结构和子结构;暗物质晕也包含着次级和次次级的分支结构。

宇宙中的空洞并非完全是空无一物的。它们确实包含少数黯淡的矮星系,而它们就排列在一个精细、稀薄的宇宙网中。在计算机模拟中,这种结构中的亚空洞内部也包含着其自身的宇宙网。

因此,尽管宇宙作为一个整体不是分形的,本华·曼德博的观点也站不住脚,但我们仍然可以在宇宙中的任何地方观察到分形。(任天)


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