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宇宙的大尺度丝状纤维结构是如何产生的?研究大尺度结构的意义何在?

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AndreyEsses 发表于 2017-11-22 22:13:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
是什么决定了宇宙的大尺度结构是在丝状纤维结构层面上的?为什么不同的丝状纤维结构之间不能形成更大的结构?或者说为什么超星系团与超星系团之间能形成丝状纤维结构?这个层级是由什么来决定的? 另外,研究大尺度结构的意义何在?除了在感官上的震撼外它能帮助我们解决一些其他的现有疑问吗?如果不是,它的意义是否知识在于让我们更加了解这个宇宙?大尺度纤维结构形成源于非球对称的引力塌缩。今天宇宙中的结构都是来源于宇宙早期密度场中的微小涨落。引力会使得早起密度场中较密集的地方变得越来越密集,最终塌缩成为暗晕。纤维结构就是连接暗晕的桥梁。它本身也是引力塌缩的产物,但是因为它处于两个或多个密度高点间,感受到得引力场是非对称的,因此塌缩也是非对称的,最终成为纤维状结构。JR. Bond等人1996年的Nature文章(How filaments of galaxies are woven into the cosmic web)对此有详细论述。

为什么要研究纤维结构,以致为什么要研究宇宙大尺度结构呢.

首先是这样可以帮助我们更好的确定暗物质模型。例如下图,数值模拟中不同暗物质模型预言的不同结构形成模式。左边是冷暗物质宇宙中的大尺度结构,右图是温暗物质宇宙中的暗物质结构。两者有非常明显的区别。观测到这样的差别,可以帮助我们理解暗物质本源。
DSC0000.jpg
其次,大尺度结构可以用来限制宇宙学参数。宇宙中结构的形成和宇宙的总密度,密度涨落,暗能量密度的数值紧密相关。统计研究大尺度结构,可以精确的限制宇宙学模型参数。如下图是对Hubble常数和暗物质密度参量的限制,不同的圈显示不同观测对参数的限制范围。其中灰色的实线圈是大尺度结构观测带来的限制,蓝色的圈和红色的圈是其他观测。可以看到不同的观测带来的参数限制范围和形式是略有不同的。结合不同的观测,可以让最终的参数限制更加精确。

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最后,研究纤维结构对理解宇宙结构形成有重要意义。如下图,从下到上显示了数值模拟(Illustris project)中宇宙随时间的演化。最左边是暗物质结构的演化,第二列是气体的演化。可以看到无论是暗物质还是气体在宇宙的演化在大尺度上都可以看做是纤维结构的变化。而这种形成方式本身,深刻影响了之后的星系形成,星系的演化。

DSC0002.jpg 编辑于 2014-07-02不是研究宇宙学的,所以只能说个大概,并且会用较多的定性描述和打比方;准确的定量描述请看专业书,或请更专业的人士回答。

想象一团气体,一开始差不多是均匀的,混混沌沌;其中包含一些随机的微小扰动(来自更早期宇宙的量子涨落),某些地方密度比其它地方稍稍大一点,因此这些地方的引力就稍微强一些;这较强的引力会让这些地方不断从别的地方吸引物质,使这些地方密度越来越大,而其它地方的密度和引力越来越低。就像马太效应,强者越来越强,弱者越来越弱。于是物质越来越集中在很稀少的地方,宇宙大部分变得很“空”。

现在考虑万有引力的一个特性,那就是,它倾向于让原本不对称的物质分布变得更不对称(林家翘有篇文章The Gravitational Collapse of a Uniform Spheroid讲这个)。比如,原本接近球状分布的一团物质,如果由于随机扰动变得像个椭球,那么接下来在引力主导下的演化会让这团物质变得越来越“椭”,也就是越来越狭长,狭长的极致,便是纤维状了。当然了,引力“让原本不对称的物质分布变得更不对称”这条规律不是普适的,否则就没有圆圆的太阳了;这是因为在某些情况下引力不再完全主导,比如,当热压强变得重要的时候,由于热压强会倾向于抚平不均匀的物质分布,在与引力的较量之下,恒星就成了球形。另外,宇宙中很多东西都是旋转的(稍微一点不对称就会引起旋转),而旋转会倾向于让东西变“扁”,这是为什么很多星系(由大致千亿颗恒星组成)和太阳系这样的恒星-行星系统都是扁盘状的原因。
【补充:为什么质量大到一定程度之后行星就几乎是完美球形了?为什么小行星往往形状不规则?答:当质量很大,从而引力很强时,星体内部的压强很大;在极大的压力下星体物质就变“软”了,注意这个“软”需要在大的时间和空间尺度上看。
换句话说,这里的逻辑是:
质量大 -> 引力强 -> 固体表现得像流体 -> 流体压强与引力达成平衡 -> 球体(考虑自转后,就是扁球体了)。
为啥引力在决定宇宙大尺度结构时跟决定星体结构时起的作用不同?这是因为宇宙中大部分物质是暗物质,暗物质之间没有压力(普通物质之间的压力本质上都是电磁相互作用,而暗物质没有电磁相互作用),只有引力,这是宇宙在大尺度上与小尺度天体的巨大区别。大尺度结构主要由暗物质(暗能量大概也起作用吧——很可能是反面作用,因为暗能量让宇宙加速碰撞,倾向于稀释已有的结构,细节我不确定;重子物质——即组成各种星体的物质——会发光发热,它们的演化跟暗物质很不同,也会对宇宙结构有影响,具体多大我不确定,毕竟重子物质占的质量比重小)决定。】

上一段解释了宇宙的纤维状结构,但没解释这种结构的等级性。【待补充】

大尺度结构是宇宙学的一个必不可少的部分。不了解大尺度结构,就谈不上对宇宙有比较完整的认识。对大尺度结构的研究可以与其它方面的研究互相印证,给人们一个统一的宇宙图景,让人们看到宇宙学、天文学、物理学,乃至整个自然科学的完整性和一致性。有点像认识到大地是球形、有山川湖海都市对住在深山老林的人的意义。编辑于 2014-06-29纤维结构是目前宇宙模型最大的已知结构。更大的结构人脑暂时无法理解或不存在或者说被各向同性和均一性概括了。
不研究宇宙结构怎么理解大爆炸?不理解大爆炸怎么理解时间的开端?不理解时间的开端怎么了解生命的意义?所以研究宇宙的纤维结构可以帮助回答我是谁 我从哪儿来 我要往哪儿去这个哲学问题。体现了人和动物的区别。发布于 2015-04-03冷热暗物质模型给出的大尺度结构目前都有问题。
这些结构都来自于inflation时量子涨落造成的密度不均匀性因为自引力体系不稳定性的放大。
然后为什么是那个样子貌似都是数值模拟得到的,这个我不懂。发布于 2014-06-28高级生命体必须大脑思维形态同宇宙大尺度丝壮纤维形态相结合,人有1-3维和4-6维思维形态也有潜象思维隐象思维暝幻思维,有压迫性思维【1-3维98/100人是】扩展性思维,能量思维,非能量思维。当空间静止时间运动人只能看到过去和少部分现在,当空间运动时间运动人能看知将来,当时空静止空间静止人必死亡,当空间运动时间静止思维停顿。编辑于 2016-12-12
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