宇宙中的星系密度会随着距离的增大而减小吗?

时间:2021-02-18 08:44:39   作者:
让我们来仔细看看为什么星系(以及更大的结构)会形成。

我们从最开始的地方开始,或者至少从我们能观察到的最开始的地方开始。你可能见过这些宇宙微波背景图中的一张,其中有“热”点(密度较大)和“冷”点(密度较小)。

宇宙中的星系密度会随着距离的增大而减小吗

注意这里的刻度。这些波动在μ K中测量,其中CMB温度约为3K。所以,宇宙开始时几乎完全是恒定密度。

接下来,重力起作用了。密度略高于平均水平(密度过高)的区域比附近密度较低的区域具有更强的引力,因此引力会将结构拉到一起,随着时间的推移,宇宙变得越来越大,中间的区域越来越空。一群小星系合并成更大的星系,许多星系组成的星系群形成更复杂的结构。在这张图中,z是红移,较低的z对应较晚的时间(z=0是今天)。

因为星系是如此紧密地聚集在一起,如果你随机选择一个低红移的空间区域,你将不太可能找到一个星系比你在高红移的地方。然而,如果你发现一个区域有一个星系,它可能有一个附近的整个星系团。

那么,当我们把这些东西放在一起时会发生什么呢?正如我在开头所写的,这取决于您感兴趣的盒子的大小。

对于一个非常大的盒子,正如我们从宇宙微波背景中看到的,宇宙的密度非常接近恒定。因此,局部的密度与可观测宇宙中其他地方的密度是相同的。换句话说,如果我们缩小视野,我们似乎生活在我们可观测宇宙的一个典型部分。

对于一个只包含少量星系的盒子,我们得到了不同的答案。因为当我们放大一点,星系聚集在一起,我们是密集星系团的一部分,而宇宙的大部分不是。因此,我们银河系周围的区域比距离较远的平均区域密度更大。另一方面,我们自己星系周围的区域,平均而言,与另一个质量相同的星系周围的区域拥有相同的密度。

这是一个模拟,它向你展示了不同大小的盒子是什么样的。正如你所看到的,当我们放大很多的时候,它看起来到处都差不多,但是当我们放大越来越多的时候,很明显,在小尺度上,这不再是正确的。

宇宙中的星系密度会随着距离的增大而减小吗

最后,还有一个我们可能需要考虑的效应。当我们观察非常遥远的星系时,我们观察的不是它们今天的样子,而是它们很久以前的样子,它们发出的光刚刚到达我们这里。所以,我们也可以问问这些影响是如何随着时间变化的。

宇宙作为一个整体在膨胀,这意味着总体密度在下降。如果你把盒子的每个维度都翻倍,密度就会下降8倍。

所以,如果我们问一个非常大的盒子的问题,那么早期的密度要高于晚期的密度。

另一方面,我们看到星系越晚聚集在一起越强烈,因为需要足够的时间让引力把星团聚集在一起。所以,在早期,我们无法看到今天组装的大型结构。
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