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引力盆地，聽起來可能有點像地球上的自然奇觀，但在宇宙中，它們卻扮演著至關重要的角色。想象一下，宇宙就像一片廣闊的沙灘，當海浪沖刷時，會在沙灘上留下低洼的洼地，這些洼地就是引力盆地。這些宇宙洼地通過它們強大的引力，吸引和聚集周圍的物質，形成了星系和星系團。大家好，我是中國科學院國家天文臺的茍利軍。今天，我就和大家聊聊這個和宇宙結構密切相關的現象——引力盆地。

首先，讓我們看一下現在的宇宙學標準模型Λ冷暗物質，宇宙的大尺度結構是怎樣的。ΛCDM模型是目前宇宙學中最為主流的理論框架。它認為宇宙的組成主要包括暗能量，達到了70%左右，它用希臘字母Λ表示，除此之外，還包括冷暗物質和普通物質。宇宙的大尺度結構起源于早期宇宙膨脹時期的量子波動。這些微小的密度擾動在引力的作用下，隨著時間逐漸增長，形成了今天我們所見的復雜宇宙結構，包括星系、星系團和更大的超星系團。

在ΛCDM模型中，暗物質起到了引力膠水的作用。雖然我們無法直接觀測到暗物質，但其引力效應對宇宙結構的形成至關重要。暗物質通過引力吸引，使得物質在空間中聚集，形成了所謂的“宇宙網”結構。這種宇宙網由密度較高的絲狀結構和密度較低的空洞組成，星系和星系團主要分布在這些絲狀結構的交匯處。

接下來，我們來看一下什么是引力盆地，以及它們為何對星系運動至關重要。引力盆地可以被理解為宇宙中引力勢能較低的區域，就像地形中的洼地會吸引水流匯聚一樣，這些區域會吸引周圍的物質向其運動。由于引力的作用，星系和物質會自然地沿著引力梯度向引力盆地移動。這種物質的流動被稱為宇宙流，反映了物質在大尺度引力場中的運動。

引力盆地對星系運動的重要性在于，它們主導了物質在宇宙中的流動方向和速度。通過研究引力盆地的位置和性質，科學家可以更準確地預測星系的運動軌跡和速度分布。這對于理解宇宙大尺度結構的形成和演化，以及驗證宇宙學模型都有著重要意義。

而就在今年（2024年）9月，一個包含以色列、德國、法國以及美國科學家的研究團隊報道了一項關于引力盆地的新進展。他們利用最新的宇宙流4（CF4）的數據，并采用漢密爾頓蒙特卡羅算法，成功地重建了距離地球約10億光年范圍內的宇宙大尺度結構。這種方法允許科學家對宇宙的引力場進行概率性評估，從而更準確地識別出對星系運動至關重要的引力盆地。該研究已發表在《自然?天文學》雜志上。

此前的觀測表明，銀河系屬于拉尼亞凱亞超星系團的一部分。然而，新的數據揭示了一個不同的圖景：我們所在的星系團其實是巨大的沙普利盆地的一部分。同時，被稱為“史隆長城”的星系結構被確認為最大的引力盆地，其體積約為5億立方光年，幾乎是之前認為最大的沙普利盆地的兩倍多。

這些發現為何被視為宇宙學的一大進步？首先，它為我們提供了關于宇宙引力格局的新視角。通過識別和繪制這些引力盆地，科學家們能夠更深入地了解物質在宇宙中的分布和流動方式。這對于驗證和改進現有的宇宙學模型，如ΛCDM模型，具有重要的指導意義。

其次，這個研究揭示了星系和宇宙結構隨時間演變及相互作用的方式。引力盆地的識別幫助我們理解了星系如何在引力的作用下移動和聚集，從而形成復雜的宇宙網結構。這對于解答一些基本的宇宙學問題，如暗物質的分布和推動宇宙加速膨脹的原因，提供了新的線索。

總的來說，這項研究加深了我們對宇宙復雜引力動力學的理解，也讓我們更清楚地認識到塑造宇宙結構的力量。識別這些引力盆地不僅是宇宙學研究的一大進步。通過繪制這些吸引星系和物質的重要區域，我們能夠更加深入地認識宇宙的歷史及其演化，進一步解答關于宇宙本質的最基本問題。希望今天的分享，大家對引力盆地和宇宙的大尺度結構有了更深入的了解。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：茍利軍

審核：韓文標 中國科學院上海天文臺 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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