当天文学家窥视星空,他们看到了一个蛛网状的天体网络,星系沿着长墙和灯丝铺开,它们之间相隔着空穴。但经几十年的研究和观测之后,宇宙学家对宇宙如何从一个平滑、均匀逐渐演化到今日宇宙的块状拼凑网,知之甚少。
简言之,这个谜可分两部分。首先,随机地分布在炽热气体和粒子间的原始混合物中的微小团块,在宇宙生命的最初瞬间(即所谓暴胀期)一下被扩大了。以后的过程就由引力去完成了,把这些扩大了的且仍随机分布的团块,慢慢地拉成今日明显可见的、大尺度结构的拼凑网。
多伦多大学的加拿大理论天体物理研究所的宇宙学家邦德(J. R. Bond)说,从某种角度来看,这不是一个简单的物理问题。”“你从某些随机性扰动(团块)的理论出发,然后再由引力定理出发去确定它的演化。”
但在一些现行的理论中,引力的作用是十分复杂、高度非线性的,以达到忠实地再现波恩及其同事所称的网状结构。但新的研究表明,并不是引力编织出整个宇宙的结构,而是它去放大一个业已建立的模型,这个蓝图是早就存在的。
就像DNA编码着生命发展的蓝图,初始宇宙的微小团块,似乎已编织了宇宙主要的图案,以供网状结构的形成。邦德说,“从一开始,这个模型以初生态的形式,早就存在了。”“并以十分简单的途径,在宇宙的原始条件下展开,正是这样地把它们放大的。”
这种认识,是从把有关宇宙演化的两种理论结合起来,并在新的研究中涌现出来的,去年6月,在匹兹堡召开的美国天文学学会的会议上,夏威夷大学的科夫曼(L. A. Koffman,他和邦德等合作)概括了那一度相互排斥的理论是如何结合起来的。他说,引力似乎自发地促进小天体结构形成大天体网络,再引导它们合并成更大的网状模型。
在1996年1月的《天体物理杂志》上,包括堪萨斯大学米露特(A. L. Mellott)在内的小组,详细地描述了这个故事。
现今的宇宙学家关于宇宙的演化有两种大不相同的理论。在俄国物理学家泽尔多维奇及其合作者,于70年代提出的自上面下的理论中,最初形成的是大片的“煎饼”结构,这种扁平结构以后断裂成较小的天体,诸如星系和星系团。
80年代早期的西方,一个竞争性的理论赢得广泛的认同。该理论认为,这些结构是由下向上演化的。在宇宙成熟的过程中,先形成小天体,积聚成越来越大的较大结构,最终,这一进程构成了巨大的星系团。
两者皆不完全。泽尔多维奇的模型难以说明在宇宙早期个别星系的涌现及何以紧紧地束缚在薄墙和灯丝上,它也无法解释为何所有的星系皆出现在空穴之间。
另一方面,自下而上理论旨在说明小尺度结构的形成方面十分成功,但它无法再现80年代用天文望远镜所揭示出的长墙、灯丝、空穴结构。的确,星系长城的存在,震动了许多自下而上论的支持者。
1983年,米露特、谢达林(S. F. Shandarin)和他们的合作者,提出了新型的自下而上理论。他们的方案涉及到一种看不见的假想物质,即所谓冷暗物质,此论似乎能再现一些灯丝状结构,从而给自下而上理论以优势。
自80年代早期以来,宇宙学家已绘制出几千个星系的分布图,它们离我们有10亿光年之遥,这相当于离可见宇宙边缘1/10的地方。这些观测表明,宇宙既呈现出自上而下论所指出的大尺度结构,也具有自下而上论所说的,小天体并入较大天体的那种小尺度结构, 计算机模拟也表现出这种两重性。
米露特说,“真实宇宙是一种两者(上述两种理论)的结构,若你欲描述结构形成的进程,你需要这两种数学模型。”
他说,溶合这两种理论似乎“荒谬”,这就是为何人们要花那么长的时间,才得以接受的原因。
米露特回忆起本世纪早期的情况,量子物理学家为电子和光子究竟是波,抑或是粒子的问题而争论不休。
米露特说,“一些实验表明,电子和光子是粒子;而另一些则证明它们是波。每一种(实验)都是了解量子现象的正确的一面,但两者皆不完全。”
“从某种意义来看,对天体的引力积聚的描述,若孤立地使用自上面下论或自下而上论,都将是不完全的。”
初看起来,新模型中的结构,似乎按照自下而上论的标准模型发展,星系合并成更大的星系,它们再形成星系团。但自上而下论的特征也同时并存,系统地引导这些大尺度结构的发展走向,决定了它们下一步合并的对象。其净效果是,引力把星系团来回地积聚成人们所熟悉的丝状和片状的结构。
米露特说,“这就像一群鸭子奔向另一群鸭子,合并后,它们形成更大的群,但具有V字形。”
邦德说,“即使两个星系团相隔几百万光年,它们会完全合并,其行为有如它们是密切合作的。它们之间的相关性,在宇宙出生时的微小团块中就存在了,这些团块以后变成了星系和星系团,引力的作用仅是放大了这个相关性,以前的自下而上理论,没有将这一关联进去,而正是它驱动星系,形成今日所见的丝状模型。”
邦德说,我们要做的事情,是发展一种计算机能模拟的语言和物理知识,以从初始条件上产生出大尺度结构的图案。这样的模拟,即把引力松弛地加在代表早期宇宙的粒子的海洋上,确实为重现网状结构做了一件合理的工作。
米露特认为,自上而下论在结构形成上起着主导作用,因为它是大尺度结构的组织者,推动星系的合并。米露特等人在今年3月的《物理评论》上写道,在宇宙中,最初引力坍缩所形成的结构,确是泽尔多维奇所说的那种煎饼状天体。
邦德的看法则相反。他认为,自下而上机制起关键作用,在形成结构时,正需要小的引导在物质积聚中发挥作用。
不过他们两人都不愿说,哪个理论(自上面下或自下而上)在新模型中占主导地位。
[Science News,1995年9月23日]