早期宇宙中的量子涨落能否促进大质量星系团的产生

几十年来，天体物理学家一直试图了解宇宙中天体和现象的形成。过去的理论研究表明，早期宇宙中的量子涨落，即所谓的原初量子扩散，可能已经产生了所谓的原初黑洞。

在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，尼尔斯·玻尔研究所、马德里自治大学和巴黎CNRS大学的研究人员最近探索了这些波动也可能影响更大宇宙结构的产生的可能性，例如像“El”这样的重星系团戈多。”ElGordo是使用现有望远镜观测到的最大的遥远星系团，它在10多年前首次被捕获。

“宇宙结构如何形成的问题可能是最古老的问题之一，但自1980年代初以来，它获得了一个新的维度，”进行这项研究的研究人员之一JoseMaríaEzquiaga告诉Phys.org.“当时，科学家们意识到了最小和最大尺度之间令人难以置信的联系，在这种联系中，早期宇宙中的量子涨落被宇宙膨胀所拉伸，从而为宇宙中星系和大尺度结构的形成埋下了种子。”

在物理学家开始更多地了解早期宇宙和晚期宇宙之间的联系之后，早期宇宙中可能形成黑洞的想法开始出现。2015年，通过引力波首次观察到黑洞合并重新引起了人们对该领域的兴趣，引发了关注黑洞原始起源的新理论研究。

“胡安、文森特和我一直在研究早期宇宙中原始黑洞的形成，”Ezquiaga说。“我们的主要贡献是意识到，当量子涨落主导宇宙膨胀的动力学时，这会导致密度涨落的频谱是非高斯分布的，具有沉重的指数尾巴。换句话说，量子扩散更容易产生大的涨落那会坍缩成一个原始黑洞。”

在研究了早期宇宙中的原初黑洞之后，Ezquiaga和他的同事VincentVennin和JuanGarcia-Bellido开始思考支撑它们形成的相同机制，即原初扰动分布中增强的非高斯尾部，是否也可能导致其他非常大的宇宙结构的形成。在他们最近的工作中，他们特别探索了这种机制影响更大物体坍缩的可能性，例如暗物质晕，这些物体后来将容纳星系和星系群。

Ezquiaga解释说：“在宇宙历史的早期形成更大的物体可能有助于缓解观测结果与我们的标准宇宙学模型之间的一些紧张关系。”“例如，在标准假设下，像ElGordo这样的巨大星团可能看起来像异常值，而量子扩散使它们变得自然。”

作为他们最近研究的一部分，Ezquiaga和他的同事计算了晕质量函数和星团丰度作为存在重指数尾的红移函数。这使他们能够确定量子扩散是否会增加大星系团的数量，从而耗尽暗物质晕。

Ezquiaga说：“因为引力总是有吸引力的，不均匀性只会增加，因为密度过高会为周围的环境吸引质量，而密度过低的地方会变得更空旷。”“问题在于，早期宇宙中的不均匀性是否足够大和频繁，足以导致解释所观察到的宇宙结构所必需的引力坍缩。给定扰动的初始分布，我们只需要按下‘播放’键，让系统演化在引力方面，在我们的案例中，我们之前了解包括量子扩散在内的初始扰动的分布，因此我们在这项工作中的工作是以合适的方式对该光谱进行参数化，并将结果分析为大质量团簇的数量作为函数的红移。”

研究人员的论文表明，早期宇宙中的量子涨落可能不仅是中等大小星系和原始黑洞形成的基础，而且也是大质量星系团的基础，例如迷人的“ElGordo”和潘多拉星团。这意味着可以使用现有理论来解释当前对星系团的观测，而无需将新物理学纳入标准模型。

“我们工作的另一个非常令人兴奋的成果是它预测了可以在不久的将来进行测试的独特签名，”Ezquiaga说。“特别是，我们证明了量子扩散不仅使重团簇更容易在早期形成，而且子结构的数量应该低于预期。”

其他理论模型无法预测大质量宇宙结构的同时增强和子结构(即晕)的消耗。尽管如此，这种对大型星系团形成的潜在理论解释似乎与最近的宇宙学观测相吻合，并且还可能解决标准模型的其他缺点。

在接下来的研究中，Ezquiaga和他的同事们想描绘一幅更完整的宇宙结构及其形成图。这最终也可能有助于全面探索量子扩散的预测。

Ezquiaga补充说：“我们接下来要根据观察结果全面测试该模型的预测。”“幸运的是，我们可以使用许多新的观测结果。特别是詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的观测结果似乎表明，有更多的大质量星系处于高红移状态，这与我们的预测自然吻合，但我们正在等待让天文学家充分了解他们的系统学并确认这个‘意外’的人口。我们可能感兴趣的其他观察结果是矮星系的数量，以及暗能量调查等星系调查和强透镜对子晕的限制。”