近一个世纪前，天文学家 Edwin Hubble 发现，几乎所有星系都在远离银河系。这一观测后来成为现代宇宙学的重要基础，因为它为宇宙正在膨胀提供了关键证据，也支持了宇宙起源于 Big Bang 的理论。不过，即使在哈勃生活的时代，天文学家也已经注意到这种规律并非在所有地方都适用。一个明显的例外就是与我们距离最近的大型邻居——Andromeda Galaxy。这座星系并没有远离我们，而是正以大约每秒100公里的速度朝 Milky Way 接近。
大约半个世纪以来，科学家还一直被另一个相关现象所困扰。除了仙女座星系外，大多数靠近我们的大型星系似乎都在远离我们，而不是被引力拉向本地星系群中心。这一点让人感到意外，因为这些星系位于 Local Group 附近——这是一个由银河系、仙女座星系以及几十个较小星系组成的星系群。从理论上讲，这些星系的总质量应该产生明显的引力作用，把周围的星系向内部拉拢。然而观测却显示，大多数邻近星系依然在远离我们。
最近，一个由格罗宁根卡普泰恩研究所研究人员组成的国际团队提出了一种新的解释。研究团队通过先进的计算机模拟发现，在本地星系群周围，物质实际上排列成一种范围极广、相当扁平的结构，跨度达到数千万光年。这一结构不仅包含普通的可见物质，还包括包围星系的大量不可见的 Dark Matter。而在这片扁平结构的上下方，则是巨大的空旷区域，被称为 Cosmic Void。
模拟结果表明，这种物质分布方式能够很好地解释我们周围星系的位置和运动速度。换句话说，当研究人员在计算机中构建出类似的结构后，模型中产生的星系运动模式与真实宇宙中观测到的情况非常接近。
为了建立这样的模型，研究人员从宇宙早期的状态开始进行计算。他们利用 Cosmic Microwave Background 的观测数据，估算出大爆炸发生后不久宇宙中物质的大致分布情况。随后，一台高性能计算机根据这些初始条件，将宇宙的演化过程向前推进，逐渐形成一个与今天本地星系群非常相似的系统。
最终生成的模拟结果不仅再现了银河系和仙女座星系的质量、位置和运动情况，还包含了本地星系群之外31个星系的位置与速度。由于这一模型与我们周围的真实宇宙环境高度相似，研究人员形象地把它称为宇宙邻域的“虚拟孪生体”。
研究发现，当模型中加入这种扁平的物质分布结构后，周围星系远离我们的速度与实际观测值非常接近。虽然本地星系群本身具有引力，但在这片平面结构内，星系还会受到分布在整个平面中的额外质量影响。这些远处物质产生的引力在一定程度上抵消了本地星系群的吸引力，因此星系整体仍表现出远离我们的趋势。与此同时，在这个平面结构之外的方向上星系数量非常少，这也解释了为什么我们没有观察到大量星系从这些方向被拉向本地星系群。
研究团队认为，这项工作为长期存在的谜题提供了一个有力的解释。通过模拟不同的早期宇宙结构，他们试图找出哪些初始条件最终能够形成像本地星系群这样的系统。现在，他们终于得到了一种既符合当前宇宙学理论，又能够解释我们周围星系运动规律的模型。
一些天文学家也对这一成果表示欢迎。多年来，科学家一直在尝试通过星系的运动来推断宇宙中质量的真实分布，而这项研究展示了这种方法的潜力。通过对星系位置和速度的精确测量，研究人员或许能够逐渐描绘出本地宇宙中暗物质的分布情况，从而更好地理解我们所在宇宙环境的结构与演化。
本文译自：sciencedaily，由olaola编辑发布
封面图片：unsplash/Milky Way surrounding cosmic structure