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第12章 武仙-北冕座

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最长维度(赤经方向):约100亿光年(30亿秒差距)。这一数值通过测量结构两端最远星系的红移差(z≈0.1至z≈1.0)计算得出——红移差反映了宇宙膨胀导致的距离变化,结合哈勃常数(H?≈70 km/s/Mpc),可推算出共动距离(Comoving Distance)约为30亿秒差距(100亿光年)。

宽度(赤纬方向):约15亿光年(4.5亿秒差距)。宽度定义为结构在垂直于最长维度方向的星系密度下降至峰值的1/e(约37%)时的距离。

厚度(径向方向):约2亿光年(0.6亿秒差距)。厚度指从结构中心到边缘的星系密度梯度变化区域,主要由暗物质晕的引力势阱深度决定。

相比之下,此前已知的斯隆长城(Sloan Great Wall)长度约15亿光年(4.65亿秒差距),而武仙-北冕座宇宙长城的长度是其6倍有余,是目前已知宇宙中最长的连续结构。

3.2 质量构成:可见物质与暗物质的“二重奏”

宇宙结构的总质量主要由暗物质主导,武仙-北冕座宇宙长城也不例外。通过以下方法可估算其质量:

引力透镜效应:弱引力透镜(Weak Lensing)通过观测背景星系的形状畸变,反推前景物质的分布。普朗克卫星的弱透镜数据显示,武仙-北冕座区域的质量密度约为宇宙平均密度的100倍,对应总质量约为10^17倍太阳质量(M☉)。

星系团动力学:结构中包含约80个已识别的星系团(如Abell 2151武仙座星系团、Abell 2218北冕座星系团等),每个星系团的质量约为10^14-10^15 M☉。通过Virial定理(维里定理)计算星系团的总质量,并考虑纤维中星系的运动速度弥散,可估算结构总质量约为1.2×10^17 M☉。

宇宙学模拟对比:利用宇宙大尺度结构模拟(如Illustris TNG项目),输入ΛCDM模型的参数(暗物质密度Ω?≈0.3,哈勃常数H?≈70),生成的人工宇宙中出现类似结构的概率极低(小于0.1%),但其质量与观测值高度吻合,验证了ΛCDM模型的自洽性。

值得注意的是,可见物质(恒星、气体等)仅占总质量的约15%,其余85%为暗物质。这一比例与宇宙整体的质能构成一致,进一步支持了暗物质主导结构形成的理论。

3.3 红移范围与宇宙学年龄:跨越宇宙的“时间胶囊”

武仙-北冕座宇宙长城中的星系红移范围约为z=0.1至z=1.0,对应的光宇宙学距离(Luminosity Distance)分别为约13亿光年至32亿光年(因宇宙膨胀,距离随红移非线性增长)。这意味着,我们今天观测到的该结构中最遥远的星系(z≈1.0),其光线已在宇宙中旅行了约100亿年——它们发出的光形成于宇宙年龄约38亿年时(当前宇宙年龄约138亿年),而最近邻的星系(z≈0.1)则形成于约40亿年前。

这种“时间跨度”使得武仙-北冕座宇宙长城成为研究宇宙结构演化的“活化石”:通过比较不同红移处星系的形态(如旋涡星系与椭圆星系的比例)、金属丰度(重元素含量)和恒星形成率(SFR),可以追踪星系在大尺度结构中的演化历程。

第四节 武仙-北冕座宇宙长城的精细结构:从“宇宙脊梁”到“微观网络”

如果说宏观尺度上武仙-北冕座宇宙长城是一条横跨百亿光年的“巨链”,那么在其内部,更复杂的子结构如同“骨骼上的肌肉与血管”,构成了层次分明的宇宙网络。

4.1 核心区域:超星系团的“引力堡垒”

武仙-北冕座宇宙长城的核心是一个由多个超星系团(Supercluster)组成的“团簇”。超星系团是宇宙中已知最大的引力束缚结构,通常包含数十个星系团,跨度达数千万至数亿光年。

武仙座超星系团(SCl 160):位于结构东侧,包含Abell 2151(武仙座星系团)、Abell 2197等约30个星系团,总质量约3×10^16 M☉。其中,Abell 2151是最年轻的星系团之一(红移z≈0.036),其核心存在两个巨大的椭圆星系(如NGC 6051),可能由多次星系合并形成。

北冕座超星系团(SCl 176):位于结构西侧,包含Abell 2218(北冕座星系团)、Abell 2221等约25个星系团,总质量约2.5×10^16 M☉。Abell 2218以拥有大量强引力透镜系统(如“爱因斯坦环”)闻名,其核心的椭圆星系(如G1)质量高达10^14 M☉,可能包含一个超大质量黑洞(SMBH),质量约为10^9 M☉。

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