宇宙中的恒星、星系、星系团以及丝状结构是如何成长起来的？

宇宙，这个一切存在物的总汇，到处提供给我们的只是物质和运动。——〔法〕霍尔巴赫：《自然的体系》

昨天解读了一下诺奖中“理解宇宙演化”是啥意思，正好说到了在宇宙微波背景形成和大爆炸核合成，今天我们就顺着往下说！既然有了初始的物质，那么往后的宇宙中大尺度网状结构是如何成长起来的？是在什么时候停止的？宇宙现在还会不会继续形成大的结构？

目前我们宇宙的大尺度结构是啥样的

当我们驻足仰望夜空，跟随着我们锐利的目光，越过太阳系，穿透银河系来到广袤的宇宙，我们看到了什么？宇宙充满了物质和运动。然后想想今天的宇宙中有什么？你可能会想到无数、巨大、稠密的物质团块布满了宇宙空间。例如：卫星、行星、恒星！那么我们的宇宙真的是充满了物质，它们在宇宙中真的很拥挤吗？不是的。

单考虑地球和月球之间的距离，再与它们的实际大小相比，我们就能看出地球和月球之间有着巨大的天文距离！当我们考虑宇宙最大的尺度时，空间的间隔距离更是令我们咋舌。

从我们的角度来看，目前可以观察到的宇宙其直径约为920亿光年，其中包含了超过1000亿个星系。这些星系都是大而密集的物质区域，每个区域都含有气体，尘埃，和极密集的恒星，行星，白矮星，中子星和黑洞！

尽管这些星系在大尺度上聚集在一起形成了更大的结构（星系群、星系团和超星系团），但宇宙的结构看起来就像一个巨大的丝状网络，物质聚集的区域被巨大的空间分割开来。

如果我们把宇宙的空间和物质平均一下，我们会发现宇宙的平均密度大约是每立方米一个质子。但是在我们生活的地方，在地球上密度大约是这个平均密度的10^30倍，而星系间的密度很低，并且渐进地接近于零。

所以我们很难想象宇宙开始于一个几乎完全均匀的状态。但事实上，如果我们回到早期的宇宙，到处都是一样的（除了存在微小的密度涨落）！那么我们是如何从一个统一的、几乎完美的状态发展到今天的？让我们追溯伟大的宇宙历史，看看我们看到的一切来自何方。

真空量子涨落早就了宇宙结构的“种子”

据我们所知宇宙在最开始的时候，根本不存在任何物质辐射，粒子以及反粒子。只有空的时空，而真空本身固有巨大的能量，并以指数增长的速度膨胀。这就是所谓的宇宙膨胀时期。

随着宇宙暴胀的发展，越来越多的空间被创造出来，所有的空间都具有相同的、固有的、均匀的特性，包括所有地方相同的能量密度。这时我们的宇宙不是古典的宇宙而是量子宇宙。换句话说，尽管我们对暴涨的具体性质知之甚少，但我们知道宇宙此时应该是一个量子场，而不是一个经典场。

这也意味着这时的宇宙就像所有的量子场一样，也应该具有量子涨落。

在暴涨的宇宙中有量子涨落，这些涨落随着空间的膨胀而被拉伸到整个宇宙，导致空间的区域（不论大小）都以轻微的高密度和低密度能量开始。换句话说，是量子涨落创造了宇宙稍微的不均匀。这个稍微的不均匀就是往后微波辐射温度在微开尔文尺度上波动的原因，也是往后宇宙结构的'种子'！

这个稍微到底有多稍微呢！就像是下图中的土疙瘩和地球表面相对半径一样不均匀！所以我们经常说宇宙早期几乎完美、几乎均匀、微波辐射几乎全天空一致，就是这个道理。

当暴涨结束时，所有的真空能量以及量子涨落造成的能量密度缺陷，就会转化为物质、反物质、暗物质和辐射。在空间中只保留了少量的真空能量，就是我们现在称为的暗能量。

宇宙在38万年间，一直保持着微小、均匀的物质密度

暴涨结束后宇宙仍在膨胀，但不再以指数级的方式膨胀，从现在开始，这些微小的密度缺陷会受到引力的影响，试图塌缩！

你可能会认为，宇宙从这个时候开始就要形成结构了？密度稍微高区域越来越密集；而低密度区域将逐渐缩小，把它们的物质转移到更密集的区域，因为密度大的区域在引力上更具有优势。

直觉没错，但是有点将事情简化了。事实上，当宇宙被辐射所支配时，物质试图在引力的作用下塌缩，但光子的辐射压力能够有效地以几乎相同的力提供向外推的力。实际上，这时的结构生长非常非常缓慢，只要辐射密度大于物质密度，这时的密度变化几乎可以忽略不计。

如果这时的宇宙中有一个比平均密度高0.001%的区域（一个相当典型的密度波动），大约10000年的时间里它不会发展到比周围的平均密度高出0.002%。

甚至在暴涨结束后的38万年，宇宙残留的微波辐射中，最大的波动幅度只增长了6倍左右；那些密度比平均水平高0.001%的区域在38万年后比平均水平高了0.006%。

宇宙大尺度结构开始“生长”

随着宇宙继续膨胀，光子的密度不仅在下降，而且光的波长会发生红移。结果导致了，宇宙中辐射的能量密度下降的速度比物质密度下降的速度还要快。

随着辐射能量的降低，原始气体云就可以在引力的作用下坍缩了！密度过高的区域将持续增长，吸引越来越多的周围区域的物质，最终达到一个重要的阈值：比平均密度高约68%。这个数字很重要。

因为这就是所谓的“不归点”！在这个意义上，一个达到这种密度的区域只有一条路可以走：那就是坍塌，根据区域的物质规模，最终出现一个恒星群，一个星系，甚至更大的结构。

这个数字也确保了宇宙中密度最大的区域能以最快的速度“获胜”形成结构！这就是宇宙如何从最初几千万年没有恒星到1亿年有几万亿颗恒星到8亿年的时候已经拥有10^23颗恒星！

更大的尺度，引力需要有足够长的时间发生作用，所以恒星在星系形成之前，星系在星系群形成之前，星系群在星团形成之前，星团在超星团和细丝结构形成之前。

总结：暗能量掌控宇宙以后，宇宙结构停止“生长”

在经历了这一切之后，最大的尺度（超过500万到10亿到20亿光年）将不会被束缚在一起。如果在我们的宇宙开始被暗能量主宰之前，空间区域没有达到“高于平均密度68%”的门槛，所有的物质就会错过被引力束缚的机会。

目前我们的宇宙中那些没有被引力束缚在一起的结构将永远不会被束缚在一起，而绝大多数可观测宇宙，约97%的物体将永远会远离我们。已经被束缚的结构将会保持不变：我们的本星系群和其中的星系，室女座星系团和其中的星系，还有上图中这个遥远的星系团和其中的星系，但是我们永远不会和室女座结合，室女座也永远不会和上图中的这个星系团结合。

宇宙结构在引力的作用下经过了数十亿年的演化，在45亿年前暗能量终于掌控了宇宙，最终宇宙结构的形成也即将结束。