为什么巨大的超星系平面主要由单一类型的星系组成

在我们的宇宙中，不同类型的星系并不均匀地分布。特别地，本地超星系团中有一个明显的超星系平面，它是由一些相对近的星系团组成的。在这个平面上，亮的椭圆星系和射电星系比较多，但是亮的盘状星系却比较少。这种奇特的差异为我们理解星系和结构的形成提供了一个独特的测试。在本文中，我将介绍一篇最新的论文，它使用了一个受约束的模拟，来对比标准的ΛCDM模型和标准的星系形成理论与这些观测的一致性。

ΛCDM模型是什么

ΛCDM模型是目前最广泛接受的宇宙学模型，它认为宇宙主要由三种成分组成：普通的物质（如原子、分子、星系等），占宇宙总能量密度的约5%；冷暗物质（CDM），占约26%；暗能量占约69%。暗能量是一种神秘的力量，它使得宇宙加速膨胀，而冷暗物质是一种只通过引力相互作用的粒子，它在宇宙中形成了大尺度的结构。

在ΛCDM模型中，宇宙的演化可以分为两个阶段：在早期，宇宙是均匀且热的，物质和辐射之间频繁地交换能量，宇宙的结构主要由微小的密度扰动决定，这些扰动可以用量子力学来描述。在后期，宇宙变得不均匀且冷，物质和辐射之间的相互作用变得很弱，宇宙的结构主要由引力作用决定，这些作用可以用牛顿力学来描述。在这个阶段，密度扰动逐渐增长，形成了不同尺度的结构，如星系、星系团、超星系团等。

星系是如何形成的

星系是由暗物质晕和其中的气体和恒星组成的。暗物质晕是由冷暗物质粒子聚集而成的，它们的形状通常是椭球的，它们的大小和质量可以从几千光年到几百万光年，从几百万太阳质量到几万亿太阳质量不等。气体和恒星是由普通的物质组成的，它们主要通过引力和电磁相互作用来影响星系的形态和演化。

在标准的星系形成理论中，星系的形成主要取决于两个因素：气体的冷却和暗物质晕的合并。气体的冷却是指气体通过辐射能量而降低温度的过程，这使得气体可以在暗物质晕的中心形成一个旋转的盘状结构，这就是盘状星系的起源。在盘状星系中，气体可以持续地形成新的恒星，这些恒星通常是蓝色的，表明它们很年轻和炽热。盘状星系的一个典型的例子就是我们所在的银河系。

暗物质晕的合并是指两个或多个暗物质晕相互碰撞而形成一个更大的暗物质晕的过程，这使得星系之间也会发生相互作用和碰撞，这就是椭圆星系的起源。在椭圆星系中，气体的供应被剥夺或耗尽，恒星的形成停止或减弱，恒星通常是红色的，表明它们很老和冷。

本地超星系团中的星系分布

本地超星系团是我们所在的一个大尺度的结构，它的大小约为5000万光年，它包含了约1000个星系团，其中最大的是维尔戈星系团。本地超星系团中有一个明显的超星系平面，它是由一些相对近的星系团组成的，它们沿着一个特定的方向分布，这个方向被称为超星系赤道。在这个平面上，亮的椭圆星系和射电星系比较多，但是亮的盘状星系却比较少。

这种差异是如何产生的呢？它是否与ΛCDM模型和星系形成理论相一致呢？为了回答这些问题，我们需要使用一个受约束的模拟，来重现本地超星系团的结构和星系的性质。

受约束的模拟是什么

受约束的模拟是一种特殊的宇宙学模拟，它可以重现我们所在的宇宙的特征。它的原理是利用我们对本地超星系团的观测，来反推出宇宙早期的密度扰动，然后用这些扰动作为初始条件，来模拟宇宙的演化。这样，我们就可以得到一个与我们的宇宙非常相似的模拟宇宙，它有着相同的大尺度的结构，如超星系平面和超星系赤道。

受约束的模拟的一个优点是，它可以让我们在不同的模型和理论下，比较模拟的结果和实际的观测，从而测试它们的一致性和有效性。受约束的模拟的一个挑战是，它需要非常高的计算能力和精度，因为它要模拟非常大的体积和非常多的粒子。

在这篇论文中，作者使用了一个名为BORG的受约束的模拟，它是由巴黎天体物理研究所的Guilhem Lavaux和斯德哥尔摩大学的Jens Jasche开发的。BORG模拟使用了一个体积为1.2×10^9立方光年的立方体，其中包含了1024^3个冷暗物质粒子和1024^3个气体单元。BORG模拟使用了一个基于物理的星系形成模型，它可以根据气体的冷却、加热、化学反应、恒星形成、恒星演化、超新星爆发等过程，来模拟星系的性质，如亮度、颜色、形态、射电辐射等。

模拟的结果和观测的比较

作者使用了BORG模拟，来生成了一个与我们的宇宙非常相似的模拟宇宙，它有着相同的本地超星系团的结构和星系的分布。然后，作者使用了一个统计的方法，来比较模拟的结果和实际的观测，从而评估ΛCDM模型和星系形成理论的一致性。

作者发现，模拟的结果和观测的一致性非常好，表明ΛCDM模型和星系形成理论可以很好地解释本地超星系团中的星系分布。特别地，作者发现，模拟的结果可以很好地重现观测到的超星系平面上的椭圆星系和盘状星系的不同分布，这说明这种差异是由ΛCDM模型和星系形成理论的自然结果，而不是由某些特殊的机制或偶然的巧合造成的。

作者进一步分析了模拟的结果，来探究造成这种差异的原因。作者发现，超星系平面上的椭圆星系和盘状星系的不同分布，主要是由于它们的形成历史和环境的不同。在模拟中，超星系平面上的椭圆星系，通常是在早期就形成了的，它们经历了很多的暗物质晕的合并和星系的碰撞，这使得它们的形态变得不规则，它们的气体被剥夺或耗尽，它们的恒星形成停止或减弱，它们的颜色变得红色，它们的射电辐射增强。而超星系平面上的盘状星系，通常是在后期才形成了的，它们经历了很少的暗物质晕的合并和星系的碰撞，这使得它们的形态保持了旋转的盘状结构，它们的气体仍然充足，它们的恒星形成持续或增强，它们的颜色变得蓝色，它们的射电辐射减弱。

作者的结论是，本地超星系团中的星系分布，是由ΛCDM模型和星系形成理论的自然结果，它反映了不同类型的星系的形成历史和环境的不同。这一发现为我们理解星系和结构的形成提供了一个有力的证据，也为我们验证和改进ΛCDM模型和星系形成理论提供了一个有用的工具。