宇宙结构形成

宇宙结构形成是研究宇宙中从早期近乎均匀的分布，演化出今天所见的星系、星系团、纤维状结构及巨大空洞等复杂结构的物理过程。其核心在于理解微小的初始密度涨落如何在引力作用下被放大，并最终形成各种天体。

1. 起点：近乎均匀的宇宙

   • 根据宇宙学标准模型（ΛCDM模型）以及宇宙微波背景辐射的精确观测，在宇宙诞生后约38万年（即光子最后散射形成宇宙微波背景辐射的时刻），宇宙中物质的分布是高度均匀的，密度起伏大约只有十万分之一。
   • 这些微小的起伏并非完全随机，其功率谱（即不同尺度上涨落幅度的大小）由更早期的暴胀过程等物理机制产生并“植入”宇宙。这是所有结构形成的“种子”。

2. 增长的引擎：引力不稳定性

   • 在宇宙早期，暗物质和普通物质（重子物质）与辐射紧密耦合。辐射压力会抵抗引力导致的物质聚集，形成声波振荡，这在宇宙微波背景辐射中留下了清晰的印记。
   • 随着宇宙膨胀冷却，大约在红移z≈1100时，物质与辐射退耦，普通物质不再受辐射压力支撑。此时，引力开始占据主导。
   • 根据引力不稳定性理论，宇宙中那些密度略高于平均的区域，其引力会略强，从而吸引周围更多的物质，使得高密度区域密度变得更高，低密度区域物质变得更少。这是一个指数增长的正反馈过程。在此过程中，扮演关键角色的是暗物质，因为它不与光相互作用，不会受到辐射压力的阻碍，能够在普通物质之前率先在引力作用下开始聚集，形成引力势阱的“骨架”。

3. 结构的分级成团与分层形成

   • 结构的形成并非一蹴而就，而是遵循“自下而上”的分级成团模式。首先，最小的暗物质晕在宇宙早期（如红移z>10）率先坍缩形成。这些原初暗物质晕的质量可能仅有地球质量大小，被称为微型晕。
   • 随后，通过并合和吸积，小的暗物质晕相互碰撞、合并，逐渐形成质量越来越大的结构：从矮星系、类似银河系的星系，到星系群、星系团，最终形成横跨数亿光年的超星系团和巨大的纤维状结构。星系之间的空间则演化为几乎空无一物的巨大空洞。

4. 普通物质的加入与星系形成

   • 在暗物质晕形成的引力势阱中，普通物质（主要是氢和氦的气体）在引力作用下逐渐落入。
   • 气体在落入过程中会被加热，并通过辐射冷却。冷却后的气体才能进一步收缩，密度变得足够高，最终在内部碎裂、凝聚，形成第一代恒星和最早的星系。这个过程发生在暗物质晕的中心区域。
   • 星系、恒星和行星的形成，涉及复杂的重子物理过程，包括气体冷却、恒星形成与反馈（超新星爆发、黑洞活动等喷出能量和物质）、金属元素增丰等，这些过程与纯粹的引力动力学过程共同塑造了星系的具体形态和内部结构。

5. 理论与观测的验证

   • 该理论框架的主要支柱是宇宙学N体数值模拟。科学家在超级计算机中，从近乎均匀的初始条件出发，模拟数亿甚至数千亿个暗物质“粒子”在膨胀宇宙中仅受引力影响下的演化。其结果惊人地重现了观测到的大尺度纤维网状结构。
   • 将气体流体动力学、恒星形成与反馈等复杂物理加入模拟后，得到的“宇宙学水动力模拟”能够进一步生成与真实星系形态相似的虚拟星系，并与大规模星系巡天（如斯隆数字巡天）的观测数据进行详细对比，以不断检验和修正理论。