从百万星系中，探索宇宙起源

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：视觉中国

原初涨落

ΛCDM模型，是现代宇宙学的标准模型。在这个名字中，“Λ”表示爱因斯坦的宇宙学常数，它是暗能量（导致宇宙加速膨胀的幕后推手）的最简单候选；“CDM”代表的则是“冷暗物质”——宇宙中大约80%的物质都是由暗物质构成的。尽管我们完全不知道暗能量和暗物质的本质，但观测数据表明它们对宇宙的演化至关重要。

暗能量和暗物质的神秘是大家所经常听到的，但ΛCDM模型实际上还包含了一个许多人不熟悉却非常重要的部分。它认为宇宙中的所有事物都起源于宇宙诞生之初的原初涨落。也就是说，我们今天在宇宙看到的所有结构，如星系、恒星、行星和生命，都起源于早期宇宙的量子涨落。

然而，量子涨落只在微观世界起作用，它是如何成为像星系这样巨大的结构的种子呢？一个最有希望的观点是宇宙暴胀，它构成了宇宙学标准模型的支柱。暴胀模型告诉我们，宇宙在诞生之后曾经历了一段指数级膨胀的时期。在一个典型的暴胀模型中，宇宙在10-36秒内膨胀了至少26个数量级。在暴胀开始的那一刻，存在于宇宙结构中的微小的、随机的量子涨落，在暴胀期间被放大到天文尺度，成为所有结构的来源，包括宇宙微波背景的各向异性、暗物质和星系的分布。

星系的形状

由于星系的空间分布的性质受到最初产生它们的原初涨落的性质的强烈影响，因此，为了能在观测上探索原初涨落的性质，天文学界一直在积极进行星系分布的统计学分析。但除此之外，分布在宇宙的广袤区域的星系形状的空间方向图，也反映了潜在的原初涨落的性质。

通过观测宇宙的大尺度结构而获得的图像。图中显示的大量黄色、红色的天体，都是距离地球数亿光年的星系。这些星系具有各种各样的颜色和形状，在浩瀚的宇宙中不计其数。这些星系的空间分布和形状模式并非随机的，它们具有“相关性”，而这些“相关性”源于暴胀理论预测的种子原初涨落的统计特性。（图/Subaru HSC）

不过，传统的大尺度结构分析，都只将关注点集中在星系的空间分布上。这些研究将星系视为点，而忽视了星系的形状。而事实上，星系的形状不仅能提供额外信息，而且还能为原初涨落的本质提供不同的视角。最近，终于有研究人员开始关注星系的形状。

在一项于近期发表在《物理评论D》上的研究中，研究人员对由斯隆数字化巡天（SDSS）捕捉的约100万个星系的空间分布和形状方向图进行了同时分析。他们成功地计算了为整个宇宙结构的形成埋下种子的原初涨落的统计特性，发现两个相距超过1亿光年的星系的形状的定向在统计学上具有显著的一致性。

这些结果表明，遥远星系之间存在相关性，但它们的形成过程显然是独立的，且没有因果关系。对这些相关性的详细研究证实，它们与暴胀模型预测的相关性是一致的，并且没有表现出原初涨落的非高斯特征。

蓝点和误差棒是星系形状功率谱的值。纵轴对应于两个星系的形状之间的相关程度，横轴表示两个星系之间的距离。左边（右边）横轴表示相距更远（更近）的星系之间的关系。灰点则表示非物理性的明显相关性。正如预期的那样，这个值在误差范围内均为零，这证实了蓝色所代表的测量结果确实是天体物理学产生的信号。黑色曲线是源自暴胀模型的理论曲线，可以看出它与实际数据点非常吻合。（图/Kurita ＆ Takada）

新的研究领域

在此之前，鲜少有研究能够利用星系形状来探索早期宇宙的物理学。研究人员表示，在这项研究中，他们通过对从大规模结构数据中获得的大量星系的形状数据进行统计分析，这个过程中面临了许多挑战，但他们仍成功地对原始涨落的性质制定了约束。

研究人员开发了一种新的方法，让他们能够利用星系的形状和分布来验证宇宙学模型，并将其应用于数据，然后检验暴胀模型的物理学。这是之前没有人进行过的研究课题。虽然研究人员并没有因此发现新的暴胀物理学，但研究人员希望，这项研究所使用的方法和结果将使研究人员在未来进一步检验暴胀理论。

参考来源：

https://www.ipmu.jp/en/20231221-Non-Gaussianity

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.108.083533

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