是什么在推动星系的运动

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翻译：雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡 李子琦

责任编辑：王启儒

论文：dentification of basins of attraction in the local universe, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02370-0

一项新的研究绘制了附近宇宙中的引力盆地地图，为塑造星系运动的大规模宇宙结构提供了新的见解。该研究已发表在《自然天文学》杂志上。

利用来自 Cosmicflows-4 （以下简称CF-4）汇编的约 56,000 个星系的距离和速度的先进数据，国际研究团队应用尖端算法来识别出引力主导的区域，例如名为斯隆长城和夏普利超星系团等大型宇宙结构。

该研究在理解宇宙广阔结构方面迈出了重要一步，识别出了名为“引力吸引盆地”的关键区域，进而推测我们的银河系很可能位于一个更大的，名为“夏普利盆地“的宇宙结构内。这改变了我们对宇宙流动以及大质量结构在塑造宇宙演化中的作用的理解。

该研究由瓦拉德博士在其博士生阶段领导，指导老师为耶路撒冷希伯来大学的耶胡达·霍夫曼教授和波茨坦AIP研究所的诺阿姆·利贝斯金德教授。巴黎-萨克雷大学的波马雷德博士、波茨坦AIP研究所的费弗尔博士、夏威夷大学的图利教授和库尔基博士也为此项工作作出了贡献。

Cosmicflow-4 是一个最新的宇宙学数据集，专注于通过观测银河系以外星系的运动来研究宇宙的大规模结构和动力学。该项目通过对数十万颗星系的观测，详细绘制了它们的运动轨迹，帮助科学家更好地理解宇宙的膨胀、星系集群的形成，以及暗物质和暗能量在宇宙演化中的角色。。

Credit: University of Hawaii

理解宇宙的结构

该研究基于广泛接受的 Lambda 冷暗物质（ΛCDM）宇宙学标准模型，该模型提出宇宙的大尺度结构是由宇宙膨胀早期的量子涨落所产生的。

这些微小的密度涨落随着时间的推移演变，形成了今天我们观察到的星系和星系团。当这些密度扰动增长时，它们吸引了周围的物质，创造了引力势能的极小值区域，也叫做“吸引盆地”。利用 CF-4汇编的最新数据，研究团队采用了哈密顿蒙特卡洛算法重建了距离大约为十亿光年的宇宙大尺度结构。该方法使研究人员能够对宇宙的引力领域进行概率评估，识别出主导星系运动的最重要的吸引盆地。

利用 CF-4汇编的最新数据，研究团队采用了哈密顿蒙特卡洛算法重建了距离大约为十亿光年的宇宙大规模结构。该方法使研究人员能够对宇宙的引力领域进行概率评估，识别出主导星系运动的最重要的吸引盆地。

Lambda 冷暗物质（ΛCDM）模型是当代宇宙学的标准模型，广泛用于描述宇宙的演化和结构。该模型认为宇宙中的能量有三种构成：68% 的暗能量，由宇宙学常数（Λ）表示；冷暗物质（CDM），这是一种不可见的物质形式，越占27%；以及5%的可见物质。其中暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的力量，冷暗物质可以借引力与普通物质相互作用，进而解释大规模宇宙结构的形成和运动。图为ΛCDM模型所推演的宇宙演化过程，在该研究中，大规模结构的形成可以追溯到最左边白色的部分。

Credit: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team

拉尼亚凯亚和夏普利吸引盆地

早期研究曾提出银河系属于一个名为“拉尼亚凯亚超星系团“的区域。然而，新的 CF4 数据提供了略有不同的视角，表明拉尼亚凯亚可能是更大范围的夏普利吸引盆地的一部分，后者包含了更大范围的近域宇宙。

在新识别的区域中，斯隆长城是最突出的吸引盆地，其体积约为 5 亿立方光年，是夏普利盆地的两倍多。在此之前，夏普利盆地被认为是最大的宇宙结构。这些发现前所未有地展示了本地宇宙的引力景观，为我们提供了关于星系和宇宙结构如何随着时间演化和相互作用的新见解。

上图描述了宇宙中的星系运动和它们受到引力影响的方式。通过Cosmicflows-4数据重建的三维空间中，展示了星系的速度流线，这些流线代表了星系在宇宙中的运动轨迹。不同颜色的包络线对应着周围的主要引力中心，称为吸引盆地，这些区域会将附近的星系吸引过去。为了便于观察，图中的流线只显示了Cosmicflows-4数据覆盖的范围。在每个吸引盆地内，星系的运动轨迹会逐渐收敛，最终汇聚到星系密集的区域，表明这些地方有强大的引力在起作用，吸引着星系向中心靠拢。

Credit:  Daniel Pomarède

宇宙学研究的重大进展

这项研究为理解宇宙复杂的引力动态及其塑造结构的力量提供了更深的认识。吸引盆地的识别在宇宙学领域是一项重要的进步，可能会重新定义我们对宇宙流动和大尺度结构的理解。

这项研究的重要性在于它加深了我们对宇宙大尺度结构及其塑造的引力力量的理解。通过绘制吸引盆地的地图——即重力吸引星系和物质的区域，研究揭示了大质量宇宙结构如何影响星系的运动和形成。

理解这些动态不仅帮助我们更好地理解宇宙的过去及其正在进行的演化，还为一些基础的宇宙学问题提供了宝贵的见解，例如暗物质的分布以及推动宇宙膨胀的力量。这些知识有潜力优化我们的宇宙模型，并指导未来的天文学研究。

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Credit: Daniel Korona

牧夫

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