超大的星系環或將帶領我們走向新的物理領域。原因為何——
這個星系環被恰當地命名為「巨環」，周長近40億光年。
巨環（紅色標註）和巨弧（藍色標註）在天空中的位置。
（圖源：模擬星空）
一個位於星系和星系團之間上部的環狀結構——如此之大而顯得難以解釋——近日被發現。這是一個紮根宇宙深處的結構，我們推測它的存在已有92億年。
這一超級結構被稱作為「巨環」，直徑30億光年，周長約四十億光年。同時它還接近另一個巨大的超級結構，「空中巨弧」，實際上它的直徑還多33億光年。巨弧和牧民Boōtes星座離我們的距離相同。可惜這些超級結構太暗了，因此我們無法使用後院望遠鏡看到。
事實上，這些被觀察到的超級結構都是由亞力克斯·盧普茲阿帕奇角史隆數位巡天的2.5公尺望遠鏡在美國的新墨西哥州發現。有趣的是，盧普茲作為英國中央蘭開夏大學的博士生而發現的這些超級結構中的星系並不是因為它們本身很亮，而因為它們吸收了一些來自更遠類星體的光。類星體是活躍星系中極亮的內部結構，由超大品質的黑洞來提供動力。盧普茲在一次聲明中指出：「在十分靠近的構造中辨識出兩個超大型結構提高了它們共同形成更復雜的宇宙系統的可能性。」
巨環實際上甚至不能被稱作一個環——它盤旋得如同一段彈簧，而我們所看到的只是它的邊緣。
巨環和巨弧（以及其他類似的超級結構）仍然存在的問題還是它們背離了現有的宇宙學理論。
按照理論來說，宇宙中任何結構都可以追溯到宇宙微波背景（CMB）放射線——所謂科學家觀察到充滿了宇宙的「宇宙大霹靂的火球」。在宇宙歷史前三十萬年之間，宇宙是密集的電漿海洋——即原子核和自由電子。波浪穿過這個電漿，物質聚集在峰頂上，在槽中變得更加稀疏。科學家稱這些波為質子聲振蕩或BAO。
然而，在這30萬年後，宇宙的溫度冷卻到足以讓原子核吸收大多數電子並形成完整的原子。你可能會說，宇宙電漿海洋「幹涓了」；宇宙學家稱其為「重組時代」。沒有不斷散射光子的電子，光第一次能夠不受阻礙地穿過宇宙。這就是我們檢測到的CMB。
宇宙微博背景放射線在密度較大或較小的區域中溫度會有細微的變化。這是在重組時代之前電漿最終聲波的銘印。波峰所代表的即我們所稱的宇宙物質網，在這些波峰上正是星系和星系團開始形成的地方。
巨環的中心在X軸上接近0，跨度大概在-650到+650之間，相當於大約13.7億光年。（圖源：SDSS/亞歷希雅·盧普茲（中央蘭開夏大學）
「一種可能是，巨環與重子聲學震蕩有關，」盧普茲說，「【這些】產生於早期宇宙的震蕩，今天至少應以星系排列中的球殼形式出現。然而，對巨環的詳細分析表明，他與BAO的解釋並不真正相容：巨環太大，並且不是球形。
宇宙學理論認為最大的結構——以星系鏈和星系團的形式存在——BAO可能形成的長度最多為12億光年。然而巨環的周長和巨弧的長度使這一限制相形見絀。為了說明這些超級結構的巨大程度，巨弧是整個可見宇宙半徑的十五分之一。
宇宙中還有其他巨大的超級結構，比如史隆長城，橫跨13.7億光年，距離我們約10億光年。最近發現的結構星系南極長城長達14億光年。以及Clowes-Campusana LQG（共同發現者Roger Clowes也是盧普茲的博士生導師），一個巨大的類星體群，橫跨20億光年。我們看見的這些古老類星體已存在大約95億年。
銀河系是其中一部份的拉尼亞凱亞超星系團相比之下顯得很小，長僅5.2億光年。根據線索，甚至還存在著更大的結構；「暗流」就展示出可見宇宙中許多星系的表象運動。這種運動似乎朝著首選方向流動，好像宇宙地平線上的什麽東西在單向拉動星系。然而，暗流證據的強度仍存有爭議，一些天文學家對其存在籠統地提出異議。
盡管如此，這些超級結構是如此之大，不僅難以理解它們是如何形成的，也很難解碼它們如何打破宇宙學原理，這是宇宙學標準模型的核心原則。這一原則指出，在大規模上，宇宙中物質的分布應該是均勻的，任何區域都不應該與任何其他區域有實質性的差異。但顯然，超級結構，特別是巨環和巨弧，非常突出。
「在我們目前對宇宙的理解中，這兩個超大結構都不容易解釋。」盧普茲說，「它們的超大尺寸、獨特的形狀和宇宙學的接近性肯定告訴我們一些重要的事情——但到底是什麽？」
一種可能性是，這些結構暗示了目前已知的物理學的奇特形式，甚至可能是新的物理學。例如，諾貝爾獎獲得者、牛津大學名譽教授羅傑·潘洛斯爵士提出了一個名為共形迴圈宇宙學的模型來描述一個迴圈宇宙。根據這個模型，來自宇宙前億萬年的重力波的證據可以在CMB中表現為巨大的環形結構。Penrose的模型在宇宙學家中並不受歡迎，巨環和巨弧能提供一個有價值的機會嗎？
另一種可能性是，超級結構是宇宙弦的證據，一種假設的時空單維缺陷，被認為是在大霹靂期間形成的。宇宙弦可能跨越數十億光年，但比質子的寬度更窄。有人認為，如果宇宙弦存在，它們可能會影響物質的聚類。
盧普茲總結道，當我們努力理解宇宙及其發展時，巨環和巨弧，無論是單獨還是一起，都給我們帶來了一個巨大的宇宙學謎團。
盧普茲在美國天文學會第243次會議上介紹了研究結果。
BY:Keith Cooper
FY:老羊
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