宇宙大尺度纤维状结构 宇宙大尺度纤维状结构，是指宇宙中物质（包括可见的星系、星系群和暗物质）分布并非均匀，而是在数十亿光年的尺度上，呈现出复杂的网状图案。这种结构由密集的星系团和超星系团构成“节点”，由星系组成的细长“纤维”或“长城”连接这些节点，而广袤、近乎空旷的“空洞”区域则被这些纤维和节点所包围。 第一步：从均匀到不均匀——大爆炸后的初始条件 宇宙学原理 ：在非常大的尺度上（数亿光年以上），宇宙被认为是均匀且各向同同的。这意味着没有特定的中心或方向，物质分布从统计上看是均匀的。 早期宇宙的微小涟漪 ：然而，绝对的均匀无法形成我们看到的星系和结构。宇宙微波背景辐射的观测表明，在宇宙年龄仅约38万年时，物质和能量的分布存在极其微小的密度涨落，其不均匀程度只有大约十万分之一。 涨落的起源 ：这些微小的涨落被认为源于宇宙极早期（如暴胀时期）的量子涨落，被暴胀过程拉伸到了宏观宇宙尺度，成为所有结构形成的“种子”。 第二步：引力是雕塑家——结构的生长与演化 引力的不稳定性 ：在宇宙膨胀的背景下，密度略高于平均的区域，其引力也略强，能够吸引周围更多的物质（主要是暗物质，因为它不与光相互作用，能够更早地开始聚集）。 暗物质的主导作用 ：暗物质占宇宙物质总量的约85%，由于其只参与引力相互作用，在宇宙早期就率先在引力作用下塌缩，形成纵横交错的暗物质“丝”和“晕”。这个由暗物质构成的骨架被称为“宇宙网”。 普通物质的跟随 ：普通物质（气体，主要是氢和氦）被暗物质的引力势阱所俘获，沿着暗物质纤维流向密度更高的节点和交汇处。 层次成团 ：这是一个自下而上的过程。较小的暗物质晕先形成并合并成更大的晕。气体在这些晕中冷却、凝结，最终在密度足够高的地方形成恒星和星系。星系沿着暗物质纤维分布，最终形成了我们观测到的星系纤维。 第三步：结构的形态——节点、纤维与空洞 节点 ：是纤维交汇处物质最密集的区域，通常对应着巨大的星系团或超星系团。例如，我们所在的室女座超星系团就是一个相对局部的节点。 纤维/长城 ：是连接节点的细长、扁平状的高密度区域，由星系群、星系团以及弥漫气体组成。最著名的例子是“斯隆长城”，一个长约14亿光年的巨大纤维结构。 空洞 ：是纤维结构之间巨大、近乎没有星系和物质的区域，直径可达数亿光年。它们占据了宇宙体积的大部分（可超过50%）。例如，牧夫座空洞是一个直径约2.5亿光年的著名空洞。 热星系际介质 ：纤维和空洞中并非完全真空，其中充满了温度极高（百万度以上）、密度极低（每立方米只有几个粒子）的等离子体气体，可以通过X射线望远镜间接探测到。 第四步：如何观测和验证 星系红移巡天 ：这是绘制宇宙大尺度结构最直接的方法。通过测量大量星系的距离（通过红移）和位置，可以在三维空间中绘制它们的分布图，从而揭示纤维和空洞。如斯隆数字化巡天、2dF星系红移巡天等。 引力透镜效应 ：暗物质纤维本身不可见，但其巨大的质量会弯曲穿过它的背景星系的光线，产生微弱的、统计上可测的形变效应，从而映射出暗物质纤维的分布。 宇宙微波背景的印记 ：大尺度结构中的高能电子和热气体，会与宇宙微波背景光子发生相互作用（如萨尼亚耶夫-泽尔多维奇效应），在微波背景图上留下微弱的次级各向异性，这也包含了结构的信息。 莱曼α森林 ：观测遥远类星体的光谱，其光线在穿越星系际空间时，会被不同距离处纤维中的中性氢气体吸收，形成一系列吸收线（莱曼α线）。分析这些吸收线可以反演中性氢气体在视线方向上的分布，揭示纤维结构。 总结 ：宇宙大尺度纤维状结构是宇宙从近乎均匀的初始状态，在引力作用下经过上百亿年演化而成的宏伟图案。暗物质构成了这幅“宇宙网”的骨架，普通物质则沿着骨架聚集形成发光的星系。观测这一结构是验证宇宙学模型、理解暗物质和暗能量性质的关键途径。