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天人地 2024-01-17 17:04
仰望夜空,总是被星星所吸引,而星星之间的空间,那些黑暗区域很少被人关注得到。
实际上,这些看起来什么都没有的区域,也是宇宙的组成部分。甚至和太阳之类的天体以及更大的星系比起来,这些什么都没有的区域,占据面积比前者还要更大。两者结合在一起,才共同构成了宇宙的全部。
问题在于,为何宇宙空间有些地方会分布星系,而有的地方则绵延数千万光年没有一个星系,难道宇宙的介质是不均匀的?这些星系到底是以怎样的规律分布的?
更有甚者提出,我们的银河系会不会就置身于一个巨大的空洞之中?





空洞和纤维状结构的关系



先从我们生活的地球说起,行星虽然不是宇宙中最小的结构,但是相对来说,它犹如宇宙空间内天体构成的基本单位。

地球绕着太阳运转,和其他行星一起组成了恒星系统。大量像太阳这样的恒星系统聚集在一起,又构成了像银河系这样的星系。


类似银河系这样的结构还能再次聚集,规模小的叫星系群,规模大一点的叫星系团。如果再继续聚集,就形成了超星系团,最后构成了“长城”或者叫“巨墙”这样的大 尺 度结构。
所以,天体的组成和由此形成的区域规模是由小到大的。不过,这一切只是宇宙结构的一部分,或者可以粗略看成是构成宇宙整体结构的一半。
因为这些天体,从宏观上看是聚集在一起的,可如果从微观上看,各个天体之间又存在距离。就像地球到月球,地球到太阳,太阳到其他恒星之间,各个之间距离远近不同。


而在各天体之间的空出区域,比如银河系和周边其他星系,都存在远近不一的空出区域。天文学上,这些区域就叫空洞或者巨洞,可谓简单明了。
空洞区域有多大,取决于各个天体之间的距离。空洞和天体的关系,就好比填充物和空出部分的关系。
比如一根藕或者丝瓜,它们的内部有相连接的部分,藕是果实相连接,丝瓜是瓤相连。而在相连的区域之间,也有空出的部分。


再比如面前有一堆棉花,肉眼看的话,棉絮都紧紧挨在一起。如果是在放大镜下观察,棉絮是庞大的纤维状结构,结构的中间都是庞大的空出部分。
宇宙内空洞的存在也是如此。此外,天体组成的星系,在宇宙内并不是均匀分布的,有的宇宙空间内有,有的就没有,或者分布的数量很稀少。
从宇宙整体的结构来看,星系组成的大 尺 度结构,和空洞相互依存,有前者的存在就一定会有后者的存在。


因为各星系和各个天体并不是紧密挨着的,只要有距离的存在,那么就会有空洞。而且,大 尺 度结构有多大,空洞的规模也就有多大。
一个规模和超星系团大小的空洞,在天文学上也被称为超级空洞或者超空洞。从上世纪后半叶开始,天文学家已经发现了大量的空洞,它们在宇宙中分布广泛而且区域面积广大。
只是相比于天文学家和外界对星系的关注,长久以来人们对宇宙中空空如也的区域,似乎并没有多大兴趣。不过,空洞区域也并非什么都没有。





空洞区域也有“东西”



再举个例子,把一个房间当成宇宙,一个个气球就是天体,气球簇拥在一起就说星系,房间内没有气球的区域,就可以看作是空洞。

就像房间内飘浮的气球不是均匀分布的那样,从三维空间的角度看,宇宙内星系的分布也是不均匀的。
天文学家此前观察到,星系组成的大 尺 度结构中,在这些结构的连接区域,星系的分布密度很高。星系之间的相互作用,比如融合、分裂等现象也很频密。


而那些没有星系分布的区域,空洞区域实际上也存在少量的星系分布。只不过和动辄数亿光年的空洞尺度比起来,那些位于空洞区域的星系显得很渺小罢了。
按照天文学家的测算,宇宙中星系所占据的区域面积不到40%,而空洞所占据的面积,或者从三维空间角度说是体积,却超过了60%。也就是说,空洞占据的区域,要比星系占据的区域要大。


在这些大的区域中,一些已知的空洞中,星系的数量只有几十个甚至十几个。这跟星系密度高的区域比起来,数量是相当少的。
再举一个不太恰当的例子,星系簇拥而构成的区域,就好比人口密度大的城市。而城市之外的区域好比空洞区域。乡村就像是空洞区域内的少量星系,构成人口稀少且分布密度低。
假设一个地区乡村人口增加,最终一个个乡村连成片形成了城市。同样在宇宙中,空洞区域内的星系如果也大量聚集的话,由此也会形成新的星系区域,而且还有可能跟原来的星系区域连成一体。


这可不是猜想,而是天文学家的观测和分析。2015年,权威天文学期刊《天体物理学报》,发表了我国的研究人员对空洞区域的最新研究。
天文学家发现,空洞区域星系的质量高,恒星相对年轻且形成率也更高。根据测算,这些区域内恒星形成星系的比例,比宇宙其他区域高20%。
什么意思呢?就是说现在看起来是空洞的区域,在未来也可能会聚集形成新的星系区域。天体的诞生,就是通过引力的作用,相互吸引并最终由小到大连成了一体乃至一片。


这就意味着,空洞区域的星系相比其他星系,还处在较早的演化阶段,形象一点说就说它们的生命刚起步,还处在青少年阶段。
不过也有观点认为,空洞区域内的星系,跟其他星系并没有本质差别。这些星系本身总体的性质差别,是由组分的不同所导致的。
而国内的研究人员则发现,空洞区域内的恒星年纪更小,所以它们的光度不够高,质量本身也比较小。





本星系群旁边的本地空洞



地球位于银河系,银河系又位于本星系群,就在星系群的旁边,正是一个空间范围巨大的空洞。

上世纪80年代,夏威夷大学的天文学家发现了这一空洞,此后它就被命名为了本地空洞。
它的跨度很大,延伸区域超过了6000万秒差距,等于2亿光年左右。天文学家推测,从地球出发到本地空洞的中心区域,距离在7500万光年左右。


有人就疑惑了,它既然是空空如也的,而且黑咕隆咚的什么都看不到,天文学家是如何确定它的区域面积的呢?
其实也不难,就像上面所提到的那样,空洞区域并非什么也没有,同样也有少量的星系分布。在天文学领域,为了和银河系这样动辄由数千亿颗恒星组成的星系做出区分,空洞区域的少量星系和小星系,被统称为矮星系。


根据矮星系的分布,就能推算出空洞区域的面积。再者,空洞区域并非是无限延伸的,该区域另一边相连的地方,就是别的星系。所以,通过测算这些大星系结构之间的距离,也能算出空洞区域的面积。
但是在天文学家看来,像本地空洞这样星系密度低的空洞区域,没有办法用标准宇宙学的框架去解释它。
此前在2010年的时候,有天文学家发表观点指出,需要引入人类还不知道的“第五种力”来解释空洞区域。就是说,有的天文学认为,空洞区域密度低的星系分布,跟星系区域的情况不一样,不能用常规的宇宙学理论去解释。


对此,我国的天文学家在2014年的时候,给出了解释和答案。他们通过分析本星系群旁边本地空洞的星系数量,对于星系形成密度低得出了两个原因。
第一个原因是,本地空洞所处的区域,在宇宙空间属于低暗物质密度区,这一区域内暗物质晕的密度,要比其他区域的平均密度低很多。而暗物质晕,正是星系形成的基石。
第二个原因是,空洞区域内的暗物质晕形成时间较晚,进而也就导致了恒星乃至星系形成的效率比较低。


正因为上述这两个因素的存在,最终使得像本地空洞这样的区域内,星系的数量密度远远低于其他宇宙空间。
而这一理论,实际上跟国内天文学家在2015年发表的研究是相呼应的,即空洞区域内的星系形成,从时间上看都处于演化的早期阶段。





本星系群两边的空洞



本地空洞只是本星系群一边的空洞,在它的另一边,还有一个区域面积更大的空洞,即南方本超空洞。

我们所处的本星系群,就好像是一道“墙”,将两个空洞区域给隔离开了。当然,由于空洞区域的面积太过于庞大,人们进而就觉得,不管是本星系群,还是地球所在的银河系,其实是被巨大的空洞所包围着。


比如南方本超空洞,它就在本超星系团的旁边,后者囊括了本星系群和银河系,属于集群概念更大的超星系团。同理,这一超星系团旁边的空洞区域,自然也就很大。
南方本超空洞的体积,大概是银河系的6000亿倍,它的区域最窄处的长度,都超过了1.1亿秒差距,其中心区域到地球的距离,大概是9600万秒差距。
所以从这些数值看起来,空洞区域的面积,要比星系区域所占据的宇宙空间还要大。





结语



南方本超空洞的区域面积还不够大,2007年时,天文学家就发现过另一个大的空洞,它的直径在10亿光年左右。

和其他的空洞区域一样,这个空洞内星系的数量也很少,暗物质的规模也难见其踪迹。这个空洞区域距离地球,在60亿光年到100亿光年之间。


空洞区域确实够大,一个个空洞,也像是将星系所处的区域给包围住了。但是反过来说,星系所组成的大 尺 度结构,也将一个个空洞给割裂成不同的区域了。
因此从宇宙更宏观的角度去看,星系区域和空洞区域的关系,就是你中有我我中有你,相互包彼此的关系。
而且,目前所观察到的星系和空洞,都是技术水平所能触及的范围。在这之外宇宙的空间究竟有多大,天文学家也不知道。


就像我们仰望夜空,那深邃的黑暗并不是边界,而是我们看不透。同理,我们现在的天文观测手段和技术,有没有将宇宙看透呢?




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