科学界的主流观点认为我们所在的这个宇宙诞生于一场大爆炸,是由一个很小的东西膨胀而来。那场大爆炸大约发生于138亿年前,自那以后宇宙便在暗能量的推动下不断膨胀,目前整个宇宙的直径可能高达数万亿光年甚至无限大。不过,理论上能够被人类观测到的部分仅有大约930亿光年。
星系是宇宙的基本结构单元,根据科学家的估计,仅可观测宇宙中的星系总数就高达2万亿个。宇宙中的物质主要就分布在星系中,它们以恒星、行星、气体、尘埃、暗物质等形式存在。星系聚而成团形成星系团,若干个星系团又会形成超星系团。它们在引力的相互作用下,最终形成了一张巨大的纤维网状结构,在这张宇宙网中存在着一些巨大的动辄数亿光年的巨型结构。
今年2月中旬,德国普朗克物理研究所的天文学家宣布,他们通过一种分析算法在德国ROSAT X射线卫星的数据中发现了5个巨型结构,分别是基普超星系团、蛇夫-北冕座超星系团、武仙座超星系团、玉夫-飞马座超星系团和夏普力超星系团。除了夏普力超星系团,另外4个都是新发现的。
其中一个最大的巨型结构基普(Quipu)的规模之大令人震惊!其包含大量星系,横跨约13亿光年,距离地球数亿光年远,总质量估计是太阳质量的200万亿倍。
在“基普”之前,天文学家已经发现了许多令人惊叹的巨型结构,例如史隆长城、武仙-北冕座长城、南极墙、拉尼亚凯亚超星系团、巨型伽马射线暴环、双鱼-鲸鱼座超星系团复合体等。
其中,拉尼亚凯亚超星系团正是银河系所在的超星系团,它包含了银河系在内的大约10万个星系,跨约5.2亿光年,主要包括室女座超星系团、长蛇-半人马座超星系团、孔雀-印地安超星系团三个部分。整个拉尼亚凯亚超星系团的重力中心“巨引源”位于半人马座方向。
武仙-北冕座长城横跨约100亿光年,它的跨度几乎占据了可观测宇宙直径的1/9,它可能是人类发现的最大的巨型结构,不过其引力束缚结构是否真实存在仍有争议。此次科学家发现的这个名叫“基普”的巨型结构虽然远没有前者大,但已远超史隆长城、拉尼亚凯亚超星系团这种巨型结构。
除了宇宙长城、超星系团等大尺度结构,宇宙中还分布着空洞。空洞是宇宙中星系分布密度较低的区域,其与周围环绕的巨型结构相比显得极为空旷。这些巨型宇宙空洞的直径可达数亿光年甚至更大,例如牧夫座空洞、波江座空洞等。
宇宙学原理认为,整个宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的,整个宇宙时空在大尺度上是平坦的。然而,像基普、斯隆长城这样动辄数亿光年甚至数十亿光年的巨型天体结构的发现,说明宇宙中的物质分布并不完全均匀,而是形成了许多大型的聚集区域,这挑战了宇宙学原理中的均匀性假设。
一些科学家认为,这些结构可能只是巨大宇宙中随机分布的一部分,还不足以说明宇宙学原理有问题;而另一些科学家则认为这种巨型结构的存在可能暗示宇宙演化过程中有更深层次的物理过程。天文学家一直在努力理解这种巨型结构的形成和演化,例如尝试结合暗物质的分布数据来理解这类巨型结构的形成机制,或者引入其他新物理机制。