08.宇宙结构的起源

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THE ORIGIN OF STRUCTURE IN THE UNIVERSE

对于我们中间的大多数人来说，更大的危险不是将目标定得太高而无法完成；而是定得太低并且完成了。

——米开朗基罗

（MICHELANGELO）

需要许多知识，才能让你意识到自己无知的程度。

——托马斯·索厄尔

（THOMAS SOWELL）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 宇宙结构的发展

· 宇宙中的不同结构

· 早期宇宙中的密度涨落的起源

· 第一代星系和恒星

· 第三星族恒星

宇宙中有许多不同尺度的结构，从行星和恒星这样小尺度的结构，到星系这样中等尺度的结构，再到星系团和超星系团这样大尺度的结构。这些结构的起源、它们在整个宇宙的生命过程中的演变等，都跻身于现代宇宙学最令人不解的问题之列。例如，人们曾在许多年里为一个由来已久的问题争论不休，那就是：是星系团首先形成然后分解为星系、接着分解为恒星，还是星系首先形成，然后组合在一起形成星系团和更大的结构？尽管我们在宇宙的大尺度上观察到的物质是光滑分布的，但无论第一批出现的结构是什么，它们的起源都在于这些大尺度光滑分布上各处的不均匀。这些物质分布的涨落在引力作用下发展，导致今日宇宙结构（恒星、星系和星系团等）的形成（专题框8.1）。这些结构的尺度取决于初始涨落的大小。很清楚的一点是，在创造我们观察到的今日宇宙的结构方面，来自暗物质的引力扮演了重要的角色。

宇宙结构的形成始于物质与辐射脱耦之后，在黑暗时期持续，并在宇宙大爆炸后不到10亿年的再次电离之前结束。人们相信，在再次电离时期，许多如恒星和星系这样的较小的结构已经存在。因此，对于结构形成过程的研究将说明引起宇宙再次电离的第一批恒星和星系的性质，这同样有助于解释它们的形成过程。

本章将考察宇宙中的结构的起源，及其随着宇宙时间的演变，并研究导致结构形成、生长并形成第一代恒星与星系的密度涨落。

原始结构的形成

物质与辐射在大爆炸后大约38万年脱耦，此后物质可以自行追随自己的命运。于是，在引力的作用下，物质（包括普通物质与暗物质）坍缩，形成了高密度、大质量的结构（图8.1）。今天，有关宇宙中结构形成的流行理论是冷暗物质假说（cold dark matter scenario）。这个名字中之所以有一个“冷”字，是因为组成冷暗物质的粒子的速度远远低于光速，这与热暗物质不同，后者的粒子的运动速度非常快。所以，由冷暗物质控制的涨落可能会发展为大质量的致密结构（专题框8.1）。这种结构接着产生了薄片和丝条——统称宇宙网（cosmic web）。第一代恒星和星系就是在这些细丝当中形成的（图8.2）。

专题框8.1 宇宙中的结构

根据尺度的不同，宇宙中的结构有不同的类型，包括：

恒星：在整个宇宙生命中都会形成的小结构。人们认为，小尺度的原始涨落是形成第一代恒星的原因，人们称这些恒星为第三星族恒星。较晚期的气体云坍缩也可以形成恒星。恒星通过核聚变过程产生自己的光，并把轻元素转变为重元素。我们的太阳50亿岁，是一颗年龄适中、质量平均的恒星。

星系：平均由1011颗不同类型的恒星组成，我们观察到的星系发出的光是所有这些恒星发出的光加在一起形成的。有些类型的星系也是当前恒星形成活动发生的地点。除了恒星之外，星系中也含有气体和尘埃，还有大量暗物质。星系是宇宙中的小岛，由于空间的膨胀而相互远离。有些星系正在活跃地形成恒星，有些则没有这种活动。我们所在的星系叫作银河（Milky Way）。它具有螺旋形状，我们的太阳就在其中的一条螺旋臂上。平均大小的星系的质量大约为1011Msun，Msun即我们的太阳的质量。

星系团：尺度更大的结构，其中含有许多星系，数量从几十个到几百万不等，取决于星系团的丰富程度。宇宙中大多数星系处于星系簇或者星系团中。星系团的高密度环境（在比较小的体积内容纳大量星系）会引起星系间的碰撞，因此影响了其中的星系的形状和演变。星系团的质量大约为1015Msun。

超星系团：宇宙中最大的结构，是由许多不同的星系团一起组成的。它们似乎是由最初的密度扰动产生的。它们的大小大约是100个百万秒差距。我们的银河系属于它其中的超星系团。

在发生最初的坍缩时，物质和辐射混在一起。这导致把事物拉到一起的引力与辐射引起的辐射压力之间产生相互作用；辐射是由坍缩的云的核心发出的轻元素聚合产生的，辐射压力会把事物往外推。这引发了声波形式的振荡模式（密度涨落在整个物质中的传播）。因为引力是暗物质和普通物质共同作用的结果，而辐射压力只是由普通物质引起的（因为暗物质粒子不与光子起作用），这些振荡的形状解释了普通物质与暗物质的比率。而且，由于暗物质不与光子耦合，它们只要有一点浓度就会非常快地成长，产生致密的大质量结构。宇宙中物质分布最初的不均匀性反映在宇宙背景辐射的温度分布上（图8.1）。这给了我们有关导致当前宇宙结构涨落的大小和程度的线索。图8.1显示了宇宙背景辐射在脱耦时的温度分布，其中蓝色和红色/黄色的区域分别对应于低物质密度与高物质密度（低温与高温）。

图8.1 宇宙微波背景的温度分布。在脱耦时的密度增强痕迹反映在宇宙背景辐射的温度分布上。红色和蓝色的区域分别代表高温与低温。这揭示了大爆炸38万年后宇宙中的物质分布

插图出处：图8.1: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Ilc_9yr_moll4096.png.

初始密度不均匀性的起源

出于某种原因，为了开始结构形成过程，需要将初始扰动（非均匀性）引入均匀的物质分布。这些扰动提供了最初的种子，它们后来成长起来，产生了我们今天观察到的结构（图8.2）。在大爆炸后大约38万年，物质和辐射脱耦之前，它们相互作用，并达到了热平衡。所以，当时物质分布的不均匀性反映在今天的宇宙背景辐射的温度分布上（图8.1）。

专题框8.2 不确定性原理

根据不确定性原理，我们测量任何粒子的能量和时间的准确性有一个极限。如果测得的能量的误差是ΔE，而时间的误差是Δt，则它们遵循如下公式：

ΔEΔt~h/4π

这里的h是普朗克常量。这就意味着，我们不可能同时对能量与时间做出准确测量。以上公式可能看上去违反了能量守恒定律。然而，能量是通过在极短的时间内创造出虚拟粒子和反粒子（能量单元）而得以守恒的。这些虚拟粒子和反粒子进而变成了物质分布不均匀性的最初种子，结构就是从这些种子中发展出来并最后生成的。

接下来的问题是，这些初始不均匀性是从何而来的呢？物理学家们相信，它们是通过一种叫作真空涨落（vacuum fluctuation）的过程产生的。根据量子力学定律，空间内的能量数量会有暂时的改变，从而让“虚拟粒子“在极短的时间内在空旷的空间中生成。这种预言背后的物理学原理是不确定性原理（uncertainty principle，见专题框8.2）。这意味着在小尺度下，能量场在空间的任意一点上（即使在真空中也不例外；真空的定义是最低能量状态）都一直有涨落（即从一个值跳跃到另一个值，见专题框8.2）。这些涨落产生了量子涟漪，最终形成涨落，产生了造就今天的宇宙结构的种子。这些涨落的特性由它们的波长决定，波长对应于它们的大小（即它们是大尺度的还是小尺度的涨落）。在暴胀时期，由于宇宙的急速膨胀，波长（涨落）增加了1030倍，与今天观察到的结构（恒星和星系）的大小接近。因此，这样的量子涨落是在引力接管大权之前形成宇宙中的结构的种子的起源。

第一代星系

在大爆炸之后，宇宙是热的、均匀的、平滑的。在引力作用下，大小为十万分之一（10-5）的小型密度涨落成长了起来，而在宇宙冷却的时候，它们形成了致密的结合系统，气体分子在这些系统内形成（图8.2）。就在这时，这些气体和暗物质被吸引到了密度更高的区域，形成了暗物质晕（dark matter halos）。这些晕就是第一代星系生成的种子。在引力的作用下，这些晕坍缩了，形成了原星系（protogalaxies）。然后，晕之内的氢和氦聚合，形成第一代恒星。随着时间的进程，这些晕合并，形成了体积更大、质量也更大的结构，这就是星系。星系的形成从低质量的小系统开始，人们称之为矮星系（dwarf galaxies），然后合并生成更大的星系，并最终成为我们的银河系这种庞然大物。根据这一假说，结构的形成是一个自下而上的过程，即首先形成小星系，然后合并，接着形成比较大的星系，最后形成超星系团。这一过程最终产生了宇宙网（图8.3），通过致密区域坍缩，星系在其内部形成。对于宇宙中的早期结构的模拟显示，宇宙网是由包含星系的细丝组成的。星系团就是在宇宙网中这些细丝的交叉点上形成的（图8.3）。

图8.2 结构随宇宙时间的生长。最初（在宇宙时间初期），宇宙中的物质分布是均匀的（上）。小的涟漪导致小的结构，它们随着时间的进程生长，形成更大的结构（中）。这些结构的大质量吸引了更多的物质，增加了当前宇宙的不均匀程度（下）

图片来源图片的模拟是由芝加哥大学的安德雷·克拉夫佐夫（Andrey Kravtsov）和新墨西哥州立大学（New Mexico State University）的阿纳托利·克雷平（Anatoly Klypin）在国家超级计算机应用中心（National Center for Supercomputer Applications）进行的。可视化是由安德雷·克拉夫佐夫进行的

插图出处：图8.2: Andrey Kratsov and Anatoly Klypin / The Center for Cosmological Physics, “Formation of the Large-Scale Structure in the Universe,” http://cosmicweb.uchicago. edu/filaments.html.

第一代恒星

第一批恒星是从原始气体中形成的，这些气体是大爆炸核合成的残留物。正是这些恒星制造了宇宙中的第一代金属。在天体物理学中，人们在说到金属时指的是重于氢与氦的元素。所以，碳、氧和氮都是这种意义上的金属。天文学家们将恒星归为两个星族：第一星族比较年轻，金属富集（即其中含有重元素），处于星系圆盘上；第二星族比较古老，含有的金属很少（主要由轻元素组成），大多处于星系的中央核球（central bulges）和晕上。为什么比较年轻的第一星族恒星中的金属多于第二星族恒星呢？原因在于，它们从气体中诞生的时代比较迟，那些气体有时间通过核反应生成金属。所以，在黑暗时期之后形成的第一代恒星（第三星族恒星）中含有的金属极少，因为使它们从中诞生的气体没有足够的时间形成金属。

由于最初的物质块的坍缩和其核心的温度上升，那里的温度达到了能够引发核聚变过程的程度，使两种或更多种轻元素结合，生成较重的元素，而在这一过程中，大量以短波（高能）紫外光形式存在的能量得到释放。这标志着第三星族恒星的诞生（图8.4）。它们是由氢、氦和少量锂、铍组成的。这些恒星开始了金属富集的过程，生成了重元素（金属），这些元素最终成为第二星族恒星中的成分。第三星族恒星的质量非常大，大约是太阳质量的60到300倍。大质量恒星是短命的。人们因此预期，第三星族恒星的寿命很短，约为几百万年。这也是今天我们很少能够看到这种恒星的原因。正是因为这类恒星的存在，才会出现多种元素富集的气体，它们也得到了再次利用，推动了下一代富含金属的恒星的形成。

图8.3 对于包含星系的宇宙网的模拟。星系团被广泛认为是通过宇宙网中的细丝结构的相互作用形成的

插图出处：图8.3: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Structure_of_the_Universe.jpg.

总结与悬而未决的问题

今天的宇宙中存在着大小各异的结构：这是一个观察事实，因为我们能够看到它们（图8.5）。现在的首要问题是：这些结构是怎样形成的，它们又是如何在宇宙的生命中演变的。这些涨落的种子在宇宙背景辐射的温度分布中留下了痕迹（图8.1），从而导致物质块在自身的引力作用下坍缩（图8.2）。在它们坍缩时，它们核心的密度增大了，结果造成了氢向氦核的聚变，产生了大量热和辐射，生成了向外的压力，并与坍缩相互抵消（图8.2）。这引发了第一代恒星（第三星族恒星）的形成。通过这一过程，大量高能光子以紫外辐射的形式生成，其中有些逃逸了，再次电离了周围的空间（图8.4）。这是在大爆炸后不到10亿年的再次电离时期发生的。这次涨落的大小等价于宇宙背景辐射的温度变化。

图8.4 典型的恒星形成场所图像（虚拟图）。第三星族恒星中的金属含量极低。因为它们很古老（诞生于宇宙不到10亿岁期间），能够发出高能辐射，所以它们的紫外辐射非常明亮

插图出处：图8.4: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Stellar_Fireworks_Finale.jpg.

我们现在正在接近于开发一个宇宙中结构形成的一致图像。通过研究当今宇宙中观察到的结构（图8.5），天文学家们已经能够做出模拟，用以理解这些系统的成长。然而，我们仍需要仔细地检查很多细节。例如，包含着第一代星系的暗物质晕的本质是什么？通过这种方式生成的高能光子，能够从系统中逃逸进入星系际介质的比例有多大？准确地说，第一代星系究竟是在什么时间形成的？金属含量少但特别明亮的大质量第三星族恒星的本质究竟是什么？

一大批理论与模拟工作正在研究暗物质晕及其内部结构的出现。这涉及基本物理原理的构建，也经常涉及非线性效应（指事件不是孤立地发生的，而是事件之间存在相互影响，等等）。人们也做出了许多观察与理论上的努力，来检测与研究大爆炸后大约10亿年形成的第一代星系。人们发现，最遥远的系统大约形成于大爆炸发生的5亿年后，几乎在可观察宇宙的边缘。与此同时，对于第三星族恒星的搜寻也在进行中，但这很难，因为这些恒星质量大、寿命短特性表明它们是非常罕见的。尽管如此，随着我们的探测器和新仪器的灵敏度越来越高，很可靠的第三星族恒星候选天体正在被发现。

图8.5 图中显示了邻近我们的宇宙的结构。我们能够看到超过150万个星系，全都以彩色点表示。这些星系都是按照它们的红移程度标色的，红移的大小说明了它们与我们之间的距离。括号里的数字表明每个星系或者星系团的红移。这幅图像取自2微米全天巡视（2 Micron All Sky Survey）数据，这些数据用红外波长显示了整个天空

插图出处：图8.5: https://commons.wikimedia.org/wiki/

回顾复习问题

1. 解释宇宙结构形成的冷暗物质假说。

2. 天文学家们所说的宇宙网是什么意思？

3. 密度涨落是怎样穿过坍缩的气体云传播的？

4. 是什么让宇宙中的密度涨落不断成长？

5. 解释不同的已知宇宙结构。

6. 初始物质分布的不均匀性的起源是什么？

7. 解释不确定性原理，以及这个原理最后是怎样解释虚拟粒子的形成的。

8. 什么是暗物质晕？

9. 在暗物质晕中的小星系最后是如何变成今天的巨星系的？

10. 解释第三星族恒星的特点。

参考文献

Bennett, J., M. Donahue, N. Schneider, and M. Voit. 2007. The Cosmic Perspective. 4th ed. Boston: Pearson/ Addison Wesley.

Hester, J., B. Smith, G. Blumenthal, L. Kay, and H. Voss. 2014. 21st Century Astronomy. 3rd ed. New York: Norton.