邻近星系为何远离我们：科学家终于解开了困扰地球50年的谜团 - 〖FLY茶馆〗

z3960

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一个困扰天文学家近50年的问题终于有了答案。为什么银河系附近的大多数大型星系都在远离我们，而不是被本星系群的巨大引力吸引过来？格罗宁根大学的埃沃德·温佩和阿米娜·赫尔米教授领导的国际团队，通过先进的计算机模拟发现了真相。包围本星系群的暗物质并非均匀分布在三维空间中，而是排列成一个横跨数千万光年的扁平薄片结构。
这项发表在2026年1月《自然·天文学》杂志上的研究显示，在这个巨大平面的上方和下方存在着物质含量极低的广袤空旷区域。正是这种特殊的几何结构解释了附近星系的反常运动。对于位于同一平面上的邻近星系，本星系群的引力被平面上更远处的物质引力所抵消，因此它们继续随宇宙膨胀远离我们。而在平面之外，即人们预期物质会向我们运动的区域，根本不存在足够的星系和物质。

虚拟孪生宇宙中的发现

自从埃德温·哈勃在近百年前发现大多数星系都在远离我们以来，天文学家就注意到一些重要的例外。仙女座星系正以每秒约100公里的速度向银河系冲来，预计在大约45亿年后与银河系发生碰撞。这种运动可以用本星系群内部的引力相互作用来解释。但银河系和仙女座星系构成的本星系群总质量约为太阳的3万亿倍，这种巨大的引力为什么对周围星系几乎没有影响？

最新模拟结果表明，在我们本星系群之外的物质呈现出一种巨大的扁平结构，其上方和下方都存在大片空旷区域。这种隐藏的几何结构有助于解释为什么邻近星系尽管受到银河系和仙女座星系的强大引力影响，仍然会以特定的方式运动。图片来源：SciTechDaily.com
温佩团队的研究采用了一种创新方法。他们从早期宇宙区域出发，其质量分布基于对宇宙微波背景辐射的精确观测数据。借助强大的超级计算机，模拟程序让这个早期宇宙区域演化了138亿年，不断生成数千个可能的宇宙版本，直到找到与我们观测到的本星系群特征高度吻合的模拟结果。
这个被称为"虚拟孪生"的模拟必须满足严苛的条件。它需要精确重现银河系和仙女座星系的质量、位置和相对速度，还要匹配本星系群之外31个大型星系的位置和运动速度。研究团队尝试了各种可能的质量分布模式，包括球形分布、随机分布和椭球分布。只有当他们采用扁平的薄片结构时，模拟结果才与观测数据高度契合。
温佩解释说："我们正在探索早期宇宙所有可能的局部结构，这些结构最终可能导致本星系群的形成。令人欣喜的是，我们现在拥有一个一方面与当前的宇宙学模型相一致，另一方面又与我们局部环境动力学相符的模型。"

引力拔河中的微妙平衡

模拟了围绕局部群（位于图像中心）的物体的运动和速度（由箭头长度指示）。图片来源：Ewoud Wempe 及其合作者

这个发现的关键在于理解引力在不同几何结构中的作用方式。想象你站在一张巨大的纸上，纸上分布着许多质量点。如果质量点均匀分布在纸的各个方向，无论你站在哪里，四面八方的引力会大致抵消，你感受到的净引力很小。但如果质量点主要集中在纸面上，而纸的上下方向几乎没有质量，情况就完全不同了。
对于位于平面内的星系，它们同时受到本星系群向内的引力和平面上更远处物质向外的拉力。由于平面非常广阔，横跨数千万光年，远处的质量虽然单位引力较小，但总质量巨大，累积的引力足以抵消本星系群的吸引。结果是这些星系既不向我们加速，也不被我们捕获，而是继续随宇宙的整体膨胀远离。
更有趣的是平面之外的区域。根据观测数据，在本星系群上方和下方，也就是垂直于这个暗物质平面的方向，几乎没有大型星系存在。这不是巧合，而是宇宙大尺度结构形成的自然结果。宇宙中的物质分布并非随机，而是呈现出丝状、片状和团状的复杂结构，被称为"宇宙网"。星系团和星系群沿着暗物质丝聚集，形成平面和墙，而它们之间是巨大的空洞。
本星系群恰好位于这样一个暗物质平面上。如果在平面之外存在大量星系，它们应该会受本星系群引力吸引而表现出向我们运动的速度分量。但观测显示这种运动并不存在，这正是因为那些区域本来就是空的。赫尔米教授对此评论道："我很高兴地看到，仅仅基于星系的运动，我们就能确定一个质量分布，该分布与本星系群内部和外部星系的位置相对应。"

从哈勃到暗物质平面的认知飞跃

第一作者 Ewoud Wempe。图片来源：Ewoud Wempe

这项研究代表了我们对本地宇宙理解的重大进步。它不仅解决了一个长期困扰科学家的观测难题，更重要的是首次对银河系和仙女座星系周围大尺度区域的暗物质分布和速度场进行了定量评估。这个成就依赖于多方面的技术进步。
首先是观测数据的积累。过去几十年里，天文学家通过哈勃太空望远镜、盖亚卫星和地面大型望远镜，精确测量了数百个邻近星系的距离和速度。这些数据构成了验证理论模型的坚实基础。其次是宇宙学模拟技术的成熟。现代超级计算机可以模拟包含数十亿粒子的宇宙演化，追踪暗物质、暗能量和普通物质在引力作用下如何从早期的微小密度涨落成长为今天的星系和星系团。
第三是理论框架的完善。标准宇宙学模型认为宇宙由约68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成。暗物质虽然不发光，但通过引力主导了宇宙大尺度结构的形成。温佩团队的工作在这个框架内运作，他们的模拟从宇宙微波背景辐射时期的密度涨落出发，严格按照广义相对论和冷暗物质模型的预言演化。
模拟结果显示的扁平结构并非人为设定，而是从基本物理定律自然涌现出来的。早期宇宙中的密度涨落在不同方向上略有差异，这些微小的各向异性在引力放大下逐渐发展成拉长的丝状和扁平的片状结构。本星系群恰好形成于这样一个片状结构的交汇点，因此继承了这种扁平的几何特征。

对未来研究的深远影响

这项发现为多个研究方向开辟了新的可能性。首先是对本星系群质量的更精确估计。通过结合暗物质平面的几何信息和邻近星系的运动学数据，天文学家可以更准确地推算出银河系、仙女座星系以及周围暗物质晕的总质量。这对理解星系形成和演化至关重要。
其次是对宇宙大尺度结构的更深入理解。如果本星系群嵌入在一个暗物质平面中，那么其他星系群和星系团是否也有类似的几何特征？这种结构的普遍性如何？它与宇宙网的整体拓扑有什么关系？这些问题的答案将帮助我们更好地理解暗物质如何塑造宇宙的形态。
第三是对暗能量和宇宙膨胀的新约束。邻近星系的运动速度不仅受到局部引力的影响，也反映了宇宙膨胀的整体速率。通过精确建模局部引力场，可以更准确地分离出宇宙膨胀的信号，从而为测量哈勃常数和暗能量状态方程提供独立的约束。
温佩团队已经在论文中指出，他们的方法可以推广到更大的空间尺度和更多的星系样本。随着下一代巡天项目如欧几里得卫星和维拉·鲁宾天文台投入运行，将有成千上万个星系的精确运动学数据可供分析。这将使天文学家能够绘制出更广阔区域的暗物质分布图，揭示从几百万光年到数亿光年尺度上的宇宙结构。
赫尔米教授强调，这项工作的成功表明，即使在充满暗物质和暗能量的宇宙中，经典的引力理论仍然是理解天体运动的有力工具。"天文学家几十年来一直试图解决这个问题，但始终没有成功。我很高兴地看到，通过系统的模拟和对比观测数据，我们终于找到了答案。"
这个扁平暗物质平面的发现也提醒我们，宇宙的真实结构远比简单的三维模型复杂。我们不是生活在一个各向同性的宇宙泡泡中，而是嵌入在具有特定方向和几何特征的宇宙网络里。理解这种复杂结构不仅是天文学的任务，也是理解我们在宇宙中位置和命运的关键。当我们仰望夜空，看到那些正在远离的星系时，现在我们知道，它们不是在逃离我们，而是被一张看不见的暗物质巨幕温柔地推向远方。