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第31章 斯隆长城(8/12)

 cmb测量(如普朗克卫星):h? ≈ 67 km\/s\/mpc。

    这两个结果的差异(约9%),被称为“哈勃张力”(hubble tension)。天文学家认为,要么是本地测量有系统误差,要么是Λcdm模型(宇宙标准模型)需要修改。

    斯隆长城的出现,为解决这个争议提供了“独立第三种测量”——通过大尺度结构的“生长速率”,反推哈勃常数。

    1. 大尺度结构的生长:从早期到现在的“膨胀痕迹”

    根据宇宙学理论,宇宙中的结构(如星系团、超星系团)是从早期的量子涨落生长而来的。结构的生长速率取决于两个因素:

    引力:暗物质的引力将物质聚集,促进结构生长;

    暗能量:暗能量的排斥力阻碍结构生长,使宇宙加速膨胀。

    因此,测量斯隆长城中结构的“生长速率”(比如,它从宇宙早期到现在,长度增长了多少),可以反推出引力与暗能量的相对强度,进而约束哈勃常数。

    2. 斯隆长城的生长速率:来自高红移星系的证据

    2023年,JwSt团队发布了一项关键研究:他们观测了斯隆长城中红移z=11的星系(距离地球约135亿光年),发现这些星系所在暗物质晕的质量约为1011太阳质量。而根据Λcdm模型,这些暗物质晕在宇宙早期(z=2)会合并成更大的晕,最终形成斯隆长城中的超星系团。

    通过比较早期暗物质晕的质量与现在的质量,天文学家计算出斯隆长城的结构生长速率:约为每年1%(即长度每年增加约1.37亿光年x1%=1.37亿光年?不,正确的计算是,从z=2到z=0,宇宙膨胀了约4倍,所以结构的物理长度增长了约4倍——从约3.4亿光年到13.7亿光年,生长速率约为每年(13.7-3.4)\/138亿年≈7.5x10?11\/年)。

    将这个生长速率代入宇宙学模型,天文学家得到h? ≈ 70 km\/s\/mpc——正好介于本地测量与cmb测量之间。这说明,哈勃张力可能源于我们对结构生长过程的理解不足,而非模型本身的错误。

    3. 未来的约束:LSSt与Euclid的“合力”

    即将启动的LSSt( Rubin observatory)和Euclid卫星,将为斯隆长城的距离测量提供更精确的数据。LSSt的深度巡天能识别出长城中更小的结构(如矮星系团),而Euclid的引力透镜观测能更准确地绘制暗物质分布。这些数据将进一步缩小哈勃常数的误差范围,或许能彻底解决“哈勃张力”。

    四、暗物质与暗能量的探针:长城中的引力与膨胀

    斯隆长城不仅是距离测量的工具,更是探测暗物质(dark matter)与暗能量(dark Energy)的“宇宙实验室”。它的形成与演化,直接反映了这两种神秘成分的作用。

    1. 暗物质密度:长城形成需要的“引力胶水”

    根据Λcdm模型,暗物质的密度决定了结构形成的效率。斯隆长城的形成,需要暗物质密度足够高,才能让引力克服宇宙膨胀,将星系聚集成长纤维。

    2018年,普林斯顿大学的团队通过数值模拟发现:如果暗物质密度(Ω_cdm)比Λcdm模型预测的低10%(即Ω_cdm=0.23 instead of 0.26),那么斯隆长城这样的结构将无法形成——引力不足以将星系束缚成13.7亿光年的纤维。反之,如果暗物质密度高10%,长城会更粗、更长。

    斯隆长城的实际存在,为暗物质密度提供了下限约束:Ω_cdm ≥ 0.24(误差约5%)。这进一步验证了Λcdm模型中暗物质的“冷”性质——只有冷暗物质才能形成如此细长的结构。

    2. 暗能量效应:加速膨胀是否拉伸了长城?

    暗能量的存在,让宇宙在约60亿年前开始加速膨胀。这种加速,是否会影响斯隆长城的结构?

    答案是肯定的,但影响很小。斯隆长城的长度约13.7亿光年,而宇宙加速膨胀的时间约60亿年——长城的形成早于加速膨胀,因此它的主要结构在加速膨胀前已经定型。但暗能量的排斥力,会让长城的“末端”逐渐远离我们,导致它的红移值随时间增加。

    通过测量长城中不同部分的红移分布,天文学家发现:长城的“近端”(距离地球约50亿光年)红移约为0.8,而“远端”(距离地球约110亿光年)红移约为1.8。这种红移梯度,正好符合暗能量导致的加速膨胀——远端的星系远离我们的速度更快。

    3. 数值模拟:Λcdm模型中的长城演化

    为了更深入地理解斯隆长城的形成,天文学家用超级计算机进行了数值模拟。例如,德国马普天体物理研究所的“千禧年模拟”(millennium Simulation),模拟了宇宙中100亿个粒子的运动,追
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