早期宇宙中的量子涨落能否增强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宇宙物体和现象的形成。过去的理论研究表明，早期宇宙中的量子涨落，称为原始量子扩散，可能产生所谓的原始黑洞。

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讨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 Gordo”这样的重星系团。El Gordo是使用现有望远镜观测到的最大遥远星系团，这是10多年前首次捕获的。

“宇宙中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，它已经获得了一个新的维度，”进行这项研究的研究人员之一何塞·玛丽亚·埃斯基亚加告诉 Phys.org。“当时，科学家们意识到最小尺度和最大尺度之间的不可思议的联系，其中早期宇宙中的量子涨落被宇宙暴胀拉伸，为宇宙中星系和大尺度结构的形成播种。

在物理学家首次开始更多地了解早期和晚期宇宙之间的联系之后，黑洞可以在早期宇宙中形成的想法开始出现。2015年，通过引力波首次观测到黑洞合并，重新引起了人们对这一领域的兴趣，引发了新的理论研究，重点关注黑洞的原始起源。

“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暴胀的动力学时，这会导致非高斯的密度波动谱，具有严重的指数尾巴。换句话说，量子扩散使得更容易产生巨大的波动，这些波动会坍缩成原始黑洞。

在研究了早期宇宙中的原始黑洞之后，Ezquiaga和他的同事Vincent Vennin和Juan Garcia-Bellido开始怀疑支撑它们形成的相同机制，即原始扰动分布中的增强的非高斯尾巴，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，他们特别探讨了这种机制影响较大物体坍缩的可能性，例如暗物质晕，这些物体稍后将容纳星系和星系群。

“在宇宙历史的早期形成更大的物体可以帮助缓解观测和我们的标准宇宙学模型之间的一些紧张关系，”Ezquiaga解释说。“例如，在标准假设下，像El Gordo这样的大质量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团簇丰度作为存在重指数尾巴的红移的函数。这使他们能够确定量子扩散是否可以增加大型星系团的数量，从而耗尽暗物质晕。

“因为重力总是有吸引力的，不均匀性只会随着过度密度会吸引周围环境的质量而增加，而密度不足将变得更加空旷，”Ezquiaga说。“问题是早期宇宙中的不均匀性是否大到足以导致引力坍缩，这是解释宇宙中观测到的结构所必需的。给定扰动的初始分布，只需要按下“播放”并让系统在引力上演化，在我们的案例中，我们之前对包括量子扩散时初始扰动的分布有过了解，所以我们在这项工作中的工作是以合适的方式参数化这个光谱，并分析大质量星团数量的结果作为红移的函数。

研究人员的论文表明，早期宇宙中的量子涨落可能不仅是平均大小的星系和原始黑洞形成的基础，而且还可能是大质量星系团形成的基础，如迷人的“El Gordo”和潘多拉星系团。这意味着目前对星系团的观测可以使用现有理论来解释，而无需将新的物理学纳入标准模型。

“我们工作的另一个非常令人兴奋的结果是，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，我们证明量子扩散不仅使重团团更容易在早期形成，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)的枯竭。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一致，也可能解决标准模型的其他缺点。

在接下来的研究中，Ezquiaga和他的同事们希望更全面地描绘宇宙中的结构及其形成。这最终也有助于充分探索量子扩散的预测。

“接下来，我们要根据观察结果全面测试该模型的预测，”Ezquiaga补充道。“幸运的是，我们可以使用许多新的观察结果。特别是，詹姆斯韦伯太空望远镜最近的观测似乎表明，在高红移时还有更多大质量的星系，这自然与我们的预测一致，但我们正在等待天文学家完全了解他们的系统学并确认这个“意想不到”的人口。对我们来说可能感兴趣的其他观测是矮星系的数量计数，如暗能量调查等星系调查，以及强透镜对亚晕的限制。