双子宇宙

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宇宙的大尺度结构。

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如果第二个宇宙的膨胀受到我们宇宙的阻碍而减缓,其密度和温度将保持在更高的水平。

于是我们决定研究由两个相互吸引但彼此排斥的自吸引种群组成的系统中的引力不稳定性。

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根据理论,最密集的种群反应最快且最剧烈。正是它通过引力不稳定性,形成了“幽灵物质”的团块。

什么是引力不稳定性?这是最早由詹姆斯·金斯爵士(Sir James Jeans)研究的课题,我们之前已经提到过。

设想一个密度为ρ的介质,其组分具有一定的热运动速度Vth,我们试图研究可能存在的密度扰动是增长还是消散。假设在某处形成了一个直径为f的高密度区域。

热运动将自然地试图消散这一扰动。需要多长时间?大约需要一个时间尺度,即原子穿越距离f所需的时间,因此也是该团块直径翻倍所需的时间。

设想热运动速度为零。这些原子会相互吸引,该团块有向自身坍缩的趋势。我们可以计算出其坍缩所需的时间。实际上,一个自我坍缩的“尘埃云”与大爆炸的逆过程非常相似:

我们比较这两个时间。

当吸积时间小于热运动导致的自扩散时间时,扰动将发生凝聚。

直径大于一个特征长度(称为金斯长度Lj)的扰动将被放大,形成凝聚体,即物质团块(clumps)。

当这种“团块”形成时,物质被压缩并升温。压力作用增强,最终会停止这一过程。

这被称为

引力不稳定性

或

金斯不稳定性。

在标准模型中,我们可能会想:

  • 很好。大爆炸之后,宇宙在膨胀过程中逐渐冷却,引力不稳定性将使我能够构建出星系和恒星诞生的场景。

如果事情真这么简单,早就完成了。事实上,我们至今没有任何关于星系形成的理论模型。有些人认为星团先形成,然后是星系,最后才是恒星;另一些人则持相反观点。

此外,这一切都发生在宇宙仍处于剧烈膨胀的阶段。对高红移星系的探测表明,这些是极为古老的天体(由银河系中最古老恒星的年龄所证实)。我们目前尚无法从理论上处理这一复杂情况。

但我们知道两件事:

1:只要物质气体仍与“光子气体”强烈耦合,只要宇宙仍处于电离状态,引力不稳定性就无法发挥作用。因为光子与自由电子(脱离原子的电子)的相互作用,远强于与围绕原子核运动的电子之间的相互作用。

光子以某种方式也形成了“气体”。在宇宙膨胀过程中,这种气体像物质一样膨胀并压缩,具有自身的压力,即

辐射压。

当物质与光子强烈耦合时,当一个电离气体质量试图收缩,它会带动光子气体一同运动。

但光子以光速运动!一个有限尺寸的气体质量如何能“困住”光子?

“困住”是指:在该气体质量内部,光子不断被吸收又重新发射。由于吸收-再发射的频繁过程,光子很难离开这个气体团。正是这个意义上,它们被“囚禁”在其中(太阳核心发出的光子也是以同样的方式,极其缓慢而艰难地穿越太阳,最终到达表面)。

当宇宙年龄小于50万年时,辐射不仅被束缚在可能形成团块的电离气体质量中,而且辐射压仍然过高,无法允许凝聚过程的发生。

结论:根据标准模型,宇宙在t = 50万年之前是均匀的或近乎均匀的。如果发生任何变化,那是在此之后。

2:存在由恒星聚集而成的星系,星系本身又构成了大尺度结构。某些星系会进一步聚集形成星系团(如后发星系团、室女座星系团),每个星系团包含数千个成员。起初人们认为这种聚集会继续在更大尺度上进行,从而提出了“超星系团”或“星系团的星系团”的概念。

但观测结果揭示了完全不同的情况。实际上,星系的分布形成了类似“泡沫”的结构,星系团只是这种分布中的“节点”。下图是1977年对观测结果的分析。

因此,星系在极大尺度上(非常大尺度结构,Very Large Structure)围绕着巨大的空洞分布,这些空洞的特征直径约为数亿光年。

通过另一种方法,研究人员尝试从均匀的物质分布(显然仅在一个宇宙中)出发重建此类结构。最初的理论是基于平面扰动的“薄饼”式增长(泽尔多维奇的“薄饼”模型)。但结果令人失望:计算机模拟虽然产生了一些细胞状结构,但这些结构很快因热运动而消散。目前尚无令人信服的理论能解释此类结构的形成。最多只能通过“冷暗物质”的“加固”来勉强维持其相对持久的存在。

还有一种几何方式可以解释这种点质量的分布:普通物质被幽灵物质团块排斥,这一图像之前已给出。

设想一个表面,如同帐篷的支架上铺着的网,支架的顶端是钝的。顺便指出,支架顶端越钝,幽灵物质团块的范围就越广;反之,若支架越尖锐,团块就越集中。当支架趋于无限尖锐时,对应的是正曲率高度集中的区域:即“点状”区域。

现在我们给出另一个模型,它将对应下一部分。

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