今日播报!星系模式排列有什么规律,分形的,还是随机变化的?

来源:科普中国

星系之变,变在何处,排列是否有规律?


(资料图片)

宇宙有固定的模式吗?

天文学家对于一个古老的问题有了答案

“宇宙网”中的星系团

(图源:K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München, Germany)

几十年来,宇宙学家一直好奇,宇宙大尺度结构是否是分形的——也就是说,是否大小如何他都看起来是相同的。在对大量有关星系做出研究调查后,科学家们最终得出结论:并非如此,但有些是这样。

在20世纪初期,自从埃德温·哈勃发现M31的距离远远超过了银河的大小之后,宇航员们开始逐渐意识到宇宙是浩瀚无际的。除此之外,他们也发现我们可以看到星星点点,忽近又忽远。于是一个问题油然而生:这些星系的排列是有规律的吗?还是完全随机的呢?

起初,它看似是随机排布的。天文学家看到巨大的星系团,每个星系团包含了几千个星系。同样也有很多小星系,自己独立存在于其中。总而言之,这些观测结果使它看起来好像没有所谓的排列模式。

天文学家也同意这点。他们很久前提出了做宇宙学原理,是指宇宙大多是时是同质(大概指一个地方至另一个地方)同性(大概指无论从哪个方向看都相同)的。且有大量的星系和星系群均符合这一原理。

但到了19世纪70年代末,有关星系的研究开始变得复杂专业起来,科学家开始揭示星系排列模式的起源。除了星系群之外,星系本身是如同丝线般细长的形状。这之间除了有广阔的壁垒,还有广阔且浩瀚的无垠宇宙。天文学家将之称为宇宙网。这种模式有悖于宇宙学原理,因为这片大区域看起来不像宇宙中其他大区域一样。

宇宙中的宇宙

分形学之父、数学家本华·曼德博(Benoit Mandelbrot)提出了一个假设。他认为人们很难给分形一个定义,但这又是个显而易见的事情,直觉告诉我们:无论我们怎样探其究竟,这些都是一直重复的。数学家们多年来一直在研究自相似模式,曼德博并没有提出分形的定义,但他却创造了“分形”这个词,也推动了现代分形的研究。

分形可以说无处不在。例如:将雪花上的一点无限放大,你就会从微观角度看到一个雪花。如果你将一颗树枝无限放大,就会从微观角度看到树枝。如果再将海岸线放大,那么就会看到微型海岸线。分形在自然界中随处可见,分形的数学使得我们可以理解宇宙中各种各样的自相似结构。

既然如此,那么曼德博猜想,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分形的初始形态。又或许只要经过我们不懈的调查和探索,就会发现嵌套结构——宇宙网中存在着宇宙网,他们充斥这整个宇宙。

均质化和巴氏杀菌

随着天文学家对宇宙网研究的不断深入,人们开始逐渐了解宇宙大爆炸,并对宇宙中大尺度流型为什么存在做出解释。这些理论证实了宇宙的均质性,且相较于天文学家先前的研究来说,此次的研究更加全面。

对于分型宇宙的最终考验要等到本世纪,届时斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)等类似真正大规模的调查就已经可以绘制出数百万个星系的位置,并可以画出宇宙网的大致形状,这是以前的技术做不到的。

分形宇宙如果是真实存在的,那么我们所看到的宇宙应该是存在于另一个更庞大的宇宙之中的。如果不存在,那么将来某个时候,宇宙网就不应该称为宇宙网,而是一个随机排布的且与其他不同。

宇宙不是分形的,但宇宙网其中一部分仍然是分形的,这是个有趣的现象。例如,一种称为“晕圈”的暗物质团块,其中包含着子晕和子亚晕,它们承载着星系及其星系团,形成嵌套结构和子结构。

反之,我们的宇宙并非是完全空洞的,这其中存在着一些微弱的矮星系,而这几个星系排列在微弱的宇宙网中。计算机模拟时,该结构的子空隙中存在着其独特的宇宙网。

BY:Paul Sutter

FY:小发

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关键词: 天文学家 宇宙学原理 嵌套结构

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