為什麼根據相對論宇宙最大結構只有 12 億光年？

01-17

天文學家發現最大星體結構或顛覆傳統宇宙學理論
北京科技視頻網2013-01-13 10:51
英國中央蘭開夏大學帶領的一隻來自由不同國家組成的研究團隊近日發現了宇宙中最大的形體結構——由73個古老類星體或星系共同組成的「大型類星體群組（LQG，large quasar group ）縱深達驚人的40億光年。這份最新研究被刊登在了《英國皇家天文學會月刊通報》上。

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現代宇宙學理論的基礎源自愛因斯坦的研究成果，並依賴於「宇宙學原理」的假設。而根據「宇宙學原理」和現代宇宙學理論而得到的計算結果顯示，天體物理學家目前無法
發現一個大於12億光年的宇宙結構，很明顯，上述新的LQG的發現將對這一理論形成挑戰。

謝邀。

這是一個宇宙學問題，我本人不是做宇宙學的，不能講的非常清楚。我僅在我了解的範圍內把背景簡單介紹一下。

首先是這個報道的原始論文。http://arxiv.org/abs/1211.6256

題目是A structure in the early universe at z ~ 1.3 that exceeds the homogeneity scale of the R-W concordance cosmology, Clowes et.al.

目前宇宙學的最基本理論是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論的最基本方程愛因斯坦場方程是一個高階非線性非齊次微分方程組，在一般情況下求解幾乎是不可能的。為了利用廣相來研究問題，我們往往要做各種近似假設。

為了把廣相應用到宇宙學上，人們就做了所謂「宇宙學原理」假設，即宇宙是均勻各向同性的。均勻比較好理解，各向同性指「物體的物理、化學性質不因方向而有所變化的特性，即在不同方向所測得的性能數值是相同的。如所有的氣體、液體以及非晶體都顯示各向同性。「「例如石墨單晶的電導率在不同方向的差異可達數千倍「為各項異性（斜體部分複製自維基百科）

然而，如果宇宙是嚴格均勻的，那就不可能有星系，沒有恆星，更不會有人類。宇宙裡面密度最高的地方和密度最低的地方差別極其極其之大。那麼我們這麼做宇宙學原理假設有沒有道理呢？

答案是有的。這些星系相對宇宙來說都是很小的尺度，在星系之上，若干星系由引力束縛在一起，形成星系團。再往上，若干星系團組成超星系團，還有纖維結構，這一結構的大小在5億光年的量級。而更大，根據目前的觀測以及宇宙演化模型表明，宇宙應該是比較好的滿足均勻各向同性的。比如微波背景輻射就是極其接近各向同性的。

由此可見，宇宙學的結論只適用於非常大尺度。經常有人問，既然宇宙在膨脹，為什麼地球沒有膨脹。這是因為地球是非常小尺度上，由局域引力場主導，非由宇宙整體引力場主導。因此不適用於基於大尺度特性得到的宇宙學結論。

回到這個2013年的觀測結果。這個報道的文章大概內容就是，他們發現了一個尺度在40億光年上的，密度比其它區域高的結構。並且他們認為這種密度高，是統計性顯著的（即不是隨機誤差可以解釋的）。這就有些奇怪了。

這個文章引用了另外一篇文章，http://arxiv.org/abs/1001.0617，Yadav et.al. Fractal Dimension as a measure of the scale of Homogeneity

他們利用宇宙演化模型，得到最大的非各項同性結構大小接近260/h Mpc。其中，h為哈勃常數和100(km/s)/Mpc的比值。目前我們認為哈勃常數應該是70(km/s)/Mpc 左右，於是取h=0.7。換算到光年，這個大小就是12億光年。

非常粗淺的解釋一下這個大小的由來。宇宙極早期的大小非常小，各個區域之間是可以互相影響的，即所謂因果關聯。這時各個區域的密度滿足一定的統計漲落。隨著宇宙的膨脹，這些區域變得不再因果關聯，於是原本高密度的區域會一直保持高密度。通過這種方法可以給出一個最大的非均勻結構尺度。

至於怎麼解釋這個矛盾，我不是很清楚各個方面的觀點，而且可能也還沒有公認的觀點。簡單搜索了一下文獻，看到這樣一篇，http://arxiv.org/abs/1306.1700 Nadathur，Seeing patterns in noise: Gigaparsec-scale `structures" that do not violate homogeneity。大概就是說這個尺度的不均勻結構還是可以在目前理論框架下面解釋的。

另外這個密度的不均勻還是很小的，並不妨礙宇宙學原理還是個很好的假設，這個觀測結果不會推翻宇宙學的絕大多數結論。

謝邀，

根據相對論？不根據相對論呀這樣的表述是沒有物理意義的在宇宙學中廣義相對論是基本工具而已就像鏟子之於建築現代宇宙學的討論都是在GR的框架下的。

要解釋的話很簡單，因為按照現代主流宇宙學理論lamdaCDM+ inflation，目前所有物質星系、暗物質團塊等小於10億光年的這種小尺度的非均勻結構是起源於宇宙原初暴脹時期的量子漲落。漲的那些就是形成我們目前星系的種子，落的那些演化到今天就成了啥也沒有的宇宙大空洞。不是說一定沒有大於12億L.y.這種非均勻結構而是出現的概率比較小不應該被我們觀察到如果天文上觀察到了那麼確實有點問題了。

具體的解釋是這樣的：假如一萬個人排成100x100的方陣，每個人都在1-10之間隨機選一個數字，這樣我們會得到一個貌似很凌亂的數字方陣，但在其中找到一個個2x2的全是數字9的小方陣是不難的，但要找到一個20x20的全是數字9的方陣就幾乎不可能了，2x2的小方陣就是一個個的銀河系，20x20的就是星系串到一起構成的稍微大一點的星系長城，結構體形越大出現的概率越小，直到幾乎不可能出現。

另外，如果我們考察任意50x50的方陣，我們會發現這2500個方陣中的數字之和對於你選取的任意50x50的方陣都是一樣的，與你選取的方陣的位置無關，這種位置遷移的不變性就是所謂的宇宙大尺度均勻性是我們使用哥白尼原理的根據。通過整合實際中天文學的觀測數據，我們可以得出這個範圍最小的限值大概是100Mpc，約合3億光年，超過此範圍，宇宙就是基本均勻的了。

這個12億光年應該是指事件視界的大小。

任何一個所謂的結構，兩點之間應該是有力的作用的。而力的作用速度，按相對論，是不能超過光速的。所以最大的能發生作用的範圍，就是事件視界。

如果宇宙是靜態的，這個視界的大小應該是137億光年。但是由於宇宙是膨脹的，這個半徑應該在robston walker度規上積分，會比它小，大概也就是12億光年了。

宇宙學學藝不精，還請行家指正。