星系和大尺度结构是如何形成的

早期宇宙中物质基本是均匀分布的,但也有一些微小的不均匀性,这有可能是宇宙早期暴胀的结果。在宇宙暴胀之初,由于量子力学的不确定原理,物质在微小尺度上存在密度涨落。在暴胀过程中,空间被拉长到非常大的尺度,这些小尺度上的涨落就成为大尺度结构的涨落。尽管这些不均匀性很小,但万有引力使这些很小的不均匀性逐渐放大:在密度较大的地方,引力较强,会吸引周围的物质,从而进一步增强其密度。

利用万有引力理论,也可以预言密度不均匀性怎样演化。现代的科学家经常使用“数值模拟”方法来进行研究:首先,按照一定的假设,随机产生宇宙某一时刻的物质分布,然后按照万有引力定律计算这些物质如何运动。此处图中显示了数值模拟的结构形成过程:最左边方盒内,显示了较早时期的宇宙,物质基本均匀分布,仅略有非均匀性。中间方盒是经过一段演化后的情况,而进一步的演化最终导致右边方盒内的情况。在演化中,物质往往首先沿一个或两个方向凝聚,形成一些纤维状结构,然后再沿纤维凝聚到中心交点上,形成团块状的高密度区。由于宇宙中暗物质的数量是普通物质的5倍左右,所以这些引力凝聚的团块可以称为暗物质晕。暗物质晕中的暗物质由于存在运动速度,所以在一定时间内无法进一步收缩,于是形成稳定的自引力体系;而其中的普通物质可以通过辐射光子散热冷却,进一步收缩,形成星系。

对宇宙物质密度变化的数值模拟

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