天文学家在 92 亿光年外发现了两个巨型结构，巨弧和巨环

2021 年，天文学家在牧夫座附近发现了一个巨大的弧形结构。该结构异常巨大，比银河系大了上万倍，宽度足有 33 亿光年，已经达到了可观测宇宙半径的 1/15！

仅仅过了两年，当天文学家们还一头雾水的时候，第二个巨型结构出现了。该结构同样在牧夫座旁边，距离先前的巨弧结构非常近。不同的是，这次它不再是一段弧线，而是一个完整的圆环。该圆环直径 13 亿光年，周长达到了 40 亿光年。

要知道，超星系团已经是宇宙中屈指可数的庞然大物了，它们往往也就几亿光年。比如银河系所在的室女座超星系团（Virgo SC），直径刚刚超过 1 亿光年。要和今天这俩庞然大物相提并论，恐怕只有星系长城那种更大的结构才行。

即便如此，像是著名的史隆长城，那长度也不过十几亿光年。关键诡异的地方在于，星系长城是早年间由引力作用聚集起来的庞大星系群。由于星系群之间的聚集完全随机，所以星系长城的外形通常并不规则。

反观巨弧和巨环，它俩不但有着比肩星系长城的个头，同时还能保持如此规整的外形，实在出乎意料。所以它俩到底是什么东西，又是哪来的呢？

首先，组成这种庞然大物的不是别的东西，也是一个个的星系。不过这些星系有个特点，就像我们上次介绍过的暗星系一样，它们的亮度极低，甚至比夜空本身的背景亮度还要低，难怪此前一直没被发现。这次被发现，还得多亏了它们后方的类星体。

类星体是一种极度明亮的活跃星系核，中心是一个正在大吃特吃的超大质量黑洞。它们所在的星系通常都是些年轻的星系幼崽，往往存在于宇宙的远古时期，因此在距离上离我们十分遥远。

当这些类星体被前景的暗星系挡住时，它的光就会变暗。周围的类星体都很亮，唯独这几个偏暗，很明显它们应该是被什么东西挡住了。完了再借助光谱数据，很快天文学家便确认了这些遮挡物就是一个个的星系。同时，他们还绘制出了这些星系的轮廓，于是巨大的弧线和圆环便出现在了人们眼前。

通过进一步分析天文学家发现，巨弧和巨环它俩离我们差不多远，这意味着它们存在于宇宙的同一时期。当时的宇宙只有现在年龄的一半，大小也比现在小得多，于是问题出现了：根据宇宙学标准模型，宇宙越是早期内部同质化越明显，越不容易出现结构化的大尺度天体。

比如在大爆炸伊始，当时宇宙中除了“热气”还没有任何天体。后来随着环境温度的下降，慢慢才出现了恒星、星系甚至是星系团等天体。即使到了中期，理论上那时的宇宙也不应该出现跨度超过 12 亿光年的结构，但是巨弧和巨环很明显都超过了该尺寸。所以，这又是对当今宇宙学的一次挑战。

目前，研究人员对这两个结构给出了三种解释，其中第三种解释尤为引人遐想。

鉴于它规则的圆形外形，起初研究人员认为，这类大型结构可能源自重子声学振荡（BAO），它也是宇宙学标准模型允许存在的一种大尺度结构。

关于重子声学振荡之前曾专门做过一期，简单说就是：你可以把大爆炸最初的宇宙想象成一片海洋，海水就是刚刚形成的质子、中子这些重子物质。随后高能光子产生了极强的辐射压，这些光子推着重子物质向前运动，于是它们向四面八方扩散开来，形成了一种中间空、边缘密类似于气泡的结构。由于这种“气泡”的密度波动符合一些声学特征，因此它被称为“重子声学振荡”。

因为这些“气泡”诞生于宇宙的极早期（比背景辐射还要早），所以随着空间的膨胀，如今的“气泡”已经变得非常巨大。大到什么程度呢？武仙-北冕座长城听说过吧，一个跨度上百亿光年的星系长城，它只是这种“气泡”气泡壁的一部分！这么看来，这俩大家伙还真有几分相似。

然而经过仔细分析，研究人员发现了一个严重的问题：重子声学振荡产生的“气泡”是三维的，但巨弧和巨环都是二维结构！也就是说，我们看到的环并不是球壳的边缘，它真的就是一个圆环。这么看来它们又不像是重子声学振荡产生的。

随后研究人员又给出了另一种解释：它们可能是宇宙弦造成的。

说到宇宙弦，这个东西就更抽象了，它是一种宇宙早期空间相变产生的拓扑缺陷，是一种一维线性“物体”。表现出来就是一根只有质子粗细，但是可以被拉长到光年尺度的“细丝”。该“细丝”虽然细，但它蕴含的能量惊人，因此它的运动可以产生极强的引力波。这些引力波会对空间以及空间中的物质带来影响，巨弧和巨环或许就是在它的影响下形成的。

那这种宇宙弦到底是一种已经被证实的存在，还是说只是一种理论预测？关于它的来龙去脉，下回咱们专门来说。

无论是宇宙弦还是重子声学振荡，这些解释终究还是在宇宙学标准模型的框架内。但是研究人员也考虑了超出标准模型的新解释，比如彭罗斯的共形循环宇宙学 (CCC) 模型。

从名字可以看出，该模型中宇宙经历了无数次的循环。但是和“大挤压（Big Crunch）”的循环假说不同，该模型中的宇宙并不是先经历“坍缩”再重新“爆炸”，而是从始至终都在无限膨胀。

可是一直膨胀的话还怎么循环呢？彭罗斯认为，到了宇宙末期，当所有物质都衰减到一定程度，从数学角度来说，届时的宇宙和大爆炸的奇点已经没有本质区别了，唯一的不同只是规模不同。但倘若宇宙中已经没有了物质，此时规模什么的也就无关紧要了。届时的整个宇宙将可以被视为下一个宇宙的奇点，重新开始一轮新的“大爆炸”，从而进入下一个循环。

重要的是，彭罗斯认为，虽然新的宇宙几乎是一次全新的开始，但新宇宙仍然可能保留着上一个宇宙留下的印记，比如宇宙微波背景中的“冷斑（CMB cold spot）”以及今天我们说的巨弧和巨环。

关于共形循环宇宙学，这个话题还挺大，后面有机会也专门来说。

目前主流学界对共形循环宇宙学模型仍然持怀疑态度，毕竟，宇宙学标准模型对所有已观察到的现象拥有无以轮比的解释能力，这点其他任何宇宙学模型都望尘莫及，包括共形循环宇宙学模型。

然而，再好的模型也有不完美的地方。随着巨弧、巨环这样出乎意料的发现越来越多，它们就像一片片“乌云”出现在当今的宇宙学头顶。这也预示着，标准模型或许终将会迎来被替代的那一天。

[1] UCLan: Discovery of a Giant Arc in distant space adds to challenges to basic assumptions about the Universe

[2] UCLan: A Big Cosmological Mystery

[3] YouTube: AAS 243 Press Conference: Oddities in the Sky

[4] Wikipedia: Conformal cyclic cosmology

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：linvo001），作者：Linvo

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