2007年,加州大学伯克利分校的宇宙学家阿列克谢·维连金(Alexei Vilenkin)团队通过数值模拟给出了答案:在ΛCDM模型(宇宙由暗物质、暗能量和重子物质组成,膨胀由暗能量驱动的标准模型)中,出现斯隆长城这样结构的概率约为15%。这意味着,它并非“不可能事件”,而是宇宙大尺度结构形成过程中的“自然产物”——只要暗物质晕的引力塌缩足够高效,就能形成跨越10亿光年的纤维结构。
这一结论缓解了学界的焦虑,但也提出了新的问题:为什么ΛCDM模型能预测斯隆长城的存在? 答案藏在暗物质的分布中。根据ΛCDM模型,宇宙中的暗物质形成“晕层级结构”(Halo Hierarchy):小暗晕合并成大暗晕,大暗晕再通过引力连接成纤维。斯隆长城正是这种“层级合并”的极端结果——它由数百个大型暗物质晕(质量约为101?-101?太阳质量)通过稀疏的星系链连接而成,每个暗晕都孕育了一个超星系团。
换句话说,斯隆长城不是“异常”,而是ΛCDM模型的“必然输出”。它的存在,反而验证了模型对暗物质引力作用的正确描述。正如维连金所说:“如果我们生活在一个没有斯隆长城的宇宙中,反而要怀疑ΛCDM模型是否正确——因为它无法形成如此自然的纤维结构。”
三、斯隆长城的内部解剖:超星系团的“串珠”与暗物质骨架
斯隆长城并非一个“实心”的墙,而是由5个主要超星系团(Supercluster)和数十个次级星系群通过暗物质纤维(Dark Matter Filament)连接而成的“宇宙串珠”。要理解它的结构,必须拆解这些组件的物理特征:
1. 核心超星系团:Clowes-Campusano LQG
斯隆长城的“心脏”是Clowes-Campusano LQG(Clowes-Campusano 类星体群),这是斯隆长城中最早被识别的组件(1991年由天文学家罗杰·克劳斯(Roger Clowes)和路易斯·坎帕诺(Luis Campusano)通过类星体巡天发现)。它包含约18个类星体(Quasar),分布在直径约3.5亿光年的区域内,红移约为1.2(即距离地球约88亿光年)。
类星体是宇宙中最亮的天体,由超大质量黑洞(质量约为10?-10?太阳质量)吸积周围气体产生。Clowes-Campusano LQG中的类星体并非随机分布,而是沿着一条狭窄的纤维结构排列——这说明它们所在的暗物质晕被同一个大尺度引力场束缚。2011年,钱德拉X射线望远镜(Chandra X-ray Observatory)对LQG的观测发现,其中存在大量高温热气体(温度约为10?-10?开尔文),这些气体填充在暗物质晕之间,形成了连接类星体的“热气体桥”。热气体的存在,证明LQG中的超星系团正在通过引力相互靠近,未来可能合并成一个更大的结构。
2. 终端超星系团:SDSS J1030+0524
斯隆长城的“末端”是SDSS J1030+0524,这是一个年轻的超星系团(红移约为2.3,距离地球约110亿光年)。与Clowes-Campusano LQG相比,它的结构更“松散”:包含约12个星系群,每个群的质量约为1013-101?太阳质量,分布在直径约2亿光年的区域内。
SDSS J1030+0524的特殊之处在于,它是斯隆长城中恒星形成率最高的区域。根据哈勃太空望远镜(HST)的光谱观测,其中星系的恒星形成率(Star Formation Rate, SFR)平均约为100 solar masses per year(而银河系的SFR约为1 solar mass per year)。高恒星形成率的原因是,这个超星系团正处于“气体富集期”——来自宇宙网纤维的冷气体(温度约为10?开尔文)正在被引力牵引到星系群中,为恒星形成提供了充足的原料。
更有趣的是,SDSS J1030+0524中的星系几乎都是螺旋星系(Spiral Galaxy)。螺旋星系的形成需要稳定的气体供应和较低的潮汐力(Tidal Force)——而斯隆长城的纤维结构恰好提供了这两个条件:纤维中的气体沿引力通道缓慢流入星系,避免了剧烈的合并事件(合并会破坏螺旋结构,形成椭圆星系)。
3. 暗物质骨架:不可见的“建筑师”
无论是Clowes-Campusano LQG还是SDSS J1030+0524,它们的存在都依赖于暗物质骨架。通过引力透镜效应(Gravitational Lensing)——暗物质的引力弯曲背景星系的光线,形成畸变的像——天文学家可以绘制斯隆长城中的暗物质分布。
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