什么是超星系团?

小米燕麦粥2023-02-01  27

超星系团是由若干星系团构成的更高一级的星系团。星系团聚合成超星系团的现象,称做超级成团。超星系团的质量范围为10^15~10^17个太阳质量,长度达数亿光年。它具有扁长形状,长短径之比平均为4:1。超星系团内成员星系团间的引力作用与星系团内成员星系间的引力作用相比要弱得多。

自从存在宇宙岛的说法提出以后,人们发现了越来越多的星系和星系团。

1953年,著名天文学家德伏古勒分析了亮星系的分布,提出了超星系团的概念,也称作二级星系团。他认为,本超星系团直径约2500万光年,由本星系群、室女星系团、后发星系团及一些小的星系和星系团构成。后来阿贝尔指出约有50个超星系团,每个超星系团约有10个星系团。这种超星系团可能还存在自转。

1985年夏天,法国的天文工作者拉帕伦特在美国哈佛——史密森天体物理中心,用一架60英寸望远镜对超星系团进行了观测,并绘制了一张天文图。她发现星系散布得不同寻常,排列在非常薄、非常有限的表面上,这表面包裹着不寻常的泡泡之类的空洞,其直径达2亿光年。后来,科学家们通过进一步研究发现,这是一个已知的宇宙的最大结构,这一片星系层长约5亿光年,高2亿光年,宽0.15亿光年。天文学家们为它起了一个名字——“长城”。

美国普林斯顿大学和芝加哥的几位天文学家认为,宇宙既不由暗物质构成,也不由星系之间的空洞构成,而是由一个巨大的超星系团和一个大空洞构成。另一些天文学家不同意这种解释,但是也承认超星系团的存在。甚至有些天文学家认为存在比超星系团更大的星系组合,即第三级星系团。这种阶梯式的成团结构是否真的存在呢?人们还在继续观测着。

世界上很多天文学家刚刚开始对宇宙中的“长城”进行研究。其中到底存在着什么奥秘,还需要人们深入地探索下去。

当我们抬头仰望夜空,漫天的繁星无处不在,点缀着黑暗的天空。在良好的观测条件下,人类的肉眼可以看到大约7000颗左右的星星。而我们看到的大部分星星都是银河系内的恒星,如果没有大口径望远镜,遥远恒星微弱的光线肉眼无法看到,但在这些恒星之外,是距离我们数百万甚至数十亿光年更加遥远的星系。

虽然宇宙星系是相对独立的存在,被称为宇宙中独立的星星岛屿,但我们也可以看到星系大量聚集所形成的更大结构。例如:星群(团),超星系团,拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)!是不是看到陌生的名词了?所以今天就了解下什么是拉尼亚凯亚超星系团?这个超超星系团算不算宇宙中的结构?宇宙中有没有比超星系团更大的结构?

宇宙星系群(团)尺度下的结构

在我们银河系所在的本地星系群(团),星系聚集起来的密度通常都比较低,在本星系群中仙女座和银河系是两个最大的星系,接着是小得多的三角座星系,还有几十个更小、更不规则的星系,比如麦哲伦星云。

比这些小而孤立的星系群更大的星系集合是巨大的星系团,成千上万个银河系大小或更大的星系都集中在同一空间区域内,由于引力的作用,在未来这些星系会结合在一起,最终合并成一个超大星系。在宇宙中某些星系团中的星系正在合并,它们逐渐会演化成宇宙中的终极怪!

Abell 2029星系群

虽然星系团在规模上非常庞大,密度也非常大,通常包含了超过1千万亿颗恒星,或者说1万亿的太阳质量,跨越了数千万甚至数亿光年,但是在比星系团更大的尺度上观察宇宙,宇宙的结构还是会变得很清晰。

如果我们把一个空间区域里的所有星系都画出来,我们会发现一小群星系(例如:银河系身处的本星系群)会排列成类似于卷须或细丝的结构。在两条细丝相互交叉的地方,我们可以看到星系团,或者更密集的星系区域。细丝聚集最多的地方,也是星系团聚集最多的地方。那么细丝中间的区域呢?那是巨大的宇宙空洞,几乎空无一物的巨大区域。那里很可能有一些很小,很稀疏的星系,体积和密度低于我们的探测阈值。

在大尺度上,下图就是宇宙星系团的样子。下图中每一个白点都是一个星系,你离远了看,就能看到星系聚集在一起形成的细丝结构,细丝结构的中间就是宇宙空洞。但是比星系团更大的宇宙结构呢?

宇宙在超星系团尺度下的结构

相信你肯定耳闻过超星系团这个词,我们的银河系所在的本星系群是一个更大宇宙结构中的一部分,这个结构包括附近的其他星系群和邻近的巨型室女座星系团,组成了我们的本(室女座)超星系团。而本超星系团只是众多超星系团中的一个,超星系团自身也会排列在一起,形成一个更大的宇宙结构!

这个和星系团也是类似的,在更大的尺度上,超星系团的丝状结构,也会相连相交,细丝之间也有巨大的空洞,总体就构成了一个更大的宇宙网。我们认为这(宇宙的大规模结构)是宇宙的终极形态(结构)。

什么样的结构才能算“真正的结构”

通过我们对引力最佳的模拟,包括正常物质、暗物质和暗能量的正确添加混合,并以任意精度再现了我们实际观察到的宇宙,精确的模拟告诉我们:我们在正确的物理理论上理解了我们所生活的宇宙。

但问题是:仅仅因为某个东西看起来像一个结构,并不一定意味着它就是一个结构。现在考虑一下宇宙中最简单的结构之一:一个质子和一个电子,相距仅100皮米左右。

我们说质子和电子构成的这个结构就是一个氢原子,没有问题。前提是质子和电子的动能要足够小,它们才可以在电磁力的作用下结合在一起!如果这个电子以接近光速的速度运动,质子和电子就会迅速地分开,根本不会结合在一起!也就是说被束缚在一起的才能算结构。

在讨论宇宙中最大的尺度时,我们为什么要提出像原子那样小的东西呢?因为同样的原则也适用于宇宙结构。

拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)

上图是拉尼亚凯亚超星系团(超超星系团)的地图,一个包含了室女座超星系团、长蛇-半人马座超星系团和孔雀-印地安超星系团的更大的超超星系团。其中有大大小小的星系团近300到500个。

上图中这个橙色线内团状物直径约为5亿光年,包含大约100千万亿太阳质量,大约是银河系质量的10万倍。我们银河系就唯一其中某一条絮状物的“流苏”上!

但拉尼亚凯亚超星系团究竟是一种结构吗?

事情是这样的。如果宇宙只由物质组成, 那么宇宙就没有加速膨胀来对抗内部所有结构的引力。只要时间足够长,不仅是星系团,超星系团甚至是更大的丝状结构都会在引力的作用下塌缩,并随着时间的推移逐渐形成越来越大的束缚实体和结构。

这些形成的结构不仅会包含成千上万甚至数十亿个星系,跨越数十亿甚至数百亿光年;在引力的作用下最终通过收缩、合并形成一个星系,这个星系的规模之大足以与目前可观测到的宇宙相匹敌!

但是我们并不是生活在一个完全由物质构成的宇宙中,无论这些物质是正常的还是黑暗的。而我们生活在一个由暗能量主导的宇宙中,暗能量是空间自身固有的能量。如果有暗能量的存在就足以改变宇宙中的结构。换句话说,有暗能量,宇宙的结构大小就有界限。

因为在宇宙存在的最初80亿年间,在引力作用下各种各样的结构不断地生长。星系形成并束缚在一起,星群和星团形成相互吸引,束缚在一起,甚至更大尺度的结构开始形成,因为万有引力开始将这些结构相互吸引,以对抗宇宙的膨胀。

但是大约60亿年前,暗能量掌控宇宙并开始加速。这意味着,在前80亿年间还没有被引力束缚在一起的结构,以后都不会结合在一起。相反,宇宙的加速膨胀会让这些结构互相分离。

现在来看下我们的拉尼亚凯亚超星系团,虽然我们可以看到超超星系团中的星系群、星系团和超星系团的牵引力效应,而且当我们考虑星系数量和相对密度时,它们看起来确实像一个超超星系团,但事实是,它们并不是引力束缚结构,超超星系团的大小永远不会在引力的作用下缩小,在未来超超星系团的成员也不会合并在一起。

总结:宇宙中没有比超星系团更大的结构

这就要说到上文提到的原子的,质子和电子结合称为结构,是因为电磁力的束缚。没有电磁力的束缚,单个质子和电子我们也不会把它们称为一个原子。这和超超星系团的道理一样。

因此由于暗能量的存在,我们现在称之为的“超超星系团”通常不受引力束缚,所以它们也不是宇宙中的类似星系、星系群(团)和超星系团的结构。

所以拉尼亚凯亚超星系团中所有的星系团成员,既不与我们的星系群相连,彼此之间也不会相连,虽然它们的距离和质量足以影响我们在太空中的运动速度,但这又不足以改变我们的宇宙命运,或让我们在未来结合到一起。我们仍然可以称它们为超超星系团,但它们并不是真实的宇宙结构,因此并不那么“超级”!


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