我觉得现在星系里的恒星太多了，是时候该关掉一些了。

　　不不不，恒星应该自然地生长……让我们从宇宙50亿年的时候再来一次， 也许是配方不对……

　　作者

　　王乔（国家天文台）

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　　宇宙中的星系

　　我们生活在广漠宇宙的一隅，如果宇宙是片海洋，那么星系就是一个个岛屿。据估计，宇宙中有上千亿个星系（如果包含比较小的星系，最近的观测发现可能有上万亿个星系），而一个星系中又有上千亿颗恒星，由此看来，太阳只是我们银河系中普通的一颗恒星。当凝视一张星系的图片时，我们往往会被星系美丽结构所吸引。那么比星系更大的尺度上是否也存在结构呢？如果有，这些结构的形成又有怎样的历史呢？

　　一个世纪前，人类还不清楚自己的银河系大小，而现代的大型天文望远镜，可以把我们的目光带到宇宙的深处。图1有点像医学检查用的CT片，它来自于斯隆数字巡天（SDSS）项目，其中每一个点代表着一个星系。星系的分布之所以是两个扇面形状，是由于只观测到了这些区域，并不是扇形之外的区域没有星系存在。作为观测者，我们处于图片的中心，越远离中心的位置离我们也就更遥远。在宇宙学中常用红移 （redshift，一般记成 z）来标记时间，红移越大，时间就越早，今天宇宙的红移为零。图1中的红移覆盖到0.15，这意味着本图看到了宇宙大约19亿年前发出的光。相比之下，银河系中心的光到达我们的眼睛大约需要3万年，而火星到地球的距离平均只有12个光分。

　　图1. 斯隆数字化巡天观测到的星系分布。（图片来源：M. Blanton and the Sloan Digital Sky Survey,网站）

　　图中星系的分布明显是有结构的，总体来说像一张大网。在有些地方聚集了大量的星系，有些地方则是星系的“空洞”，在星系的高度聚集区之间有很多丝状的结构。如何来理解宇宙在星系尺度之上的复杂结构呢？经典的理论分析能够在“线性”近似的层面上给出很多解释。所谓线性就是说等比例的改变初始条件，也会得到等比例改变的结果。然而，宇宙结构的形成是一个非线性的过程，而非线性的系统则不会遵守这样的“规则”，微小的初始的差别会造成后来巨大的不同。因此，即使把理论计算改进得很复杂依然难以达到目前所需要的水平。由此，计算机数值模拟就成了一个帮助我们理解宇宙的不可或缺的工具。但是要开展数值模拟，我们必须首先提供宇宙的初始条件和动力学演化方程，下面我们逐一介绍。

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　　宇宙的初始条件：炽热的童年

　　那么宇宙结构的初始条件是什么样的呢？（注意我们讨论的是宇宙结构的开始，而不是宇宙本身的开始。）这必须要回到宇宙诞生的早期去。根据暴胀理论，宇宙在经历过极早期的急速暴胀之后开始进入热大爆炸阶段，这时的宇宙已经被撑成一个极端平直的空间，同时尺度也远大于我们能够观测的宇宙视界的大小，接着物质开始在宇宙中形成。由于那时的宇宙能量极高，整个宇宙中的物质存于高温状态，物质之间频繁地相互作用。打个比方，宇宙就像是煮开的一锅粥，所以不难理解宇宙的结构在初始时是非常均匀的）。也就是说，那时的宇宙中很难有结构，即使产生了结构也会被“煮化了”。

　　关于这一点，宇宙微波背景辐射的观测提供了非常强的支持，宇宙微波背景辐射温度来自宇宙诞生之后37万年左右（红移大约在1100），它在各个方向上都极度均匀，从而得出：宇宙在大尺度上是均匀并且各向同性的，也就是说，宇宙中没有特殊的位置。当然自然界中不存在完美的平滑。宇宙的不均匀性在不同尺度上也是不一样的，尺度越小，不均匀的涨落程度越大。而对这个均匀背景的微小的偏离就能提炼出大量宇宙早期的信息（见图2）。

图2. Planck卫星测量的宇宙微波背景辐射温度涨落的全天图景（地图投影透视）。红色代表温度高于平均值，蓝色代表温度低于平均值。为了图片醒目，配色经过了夸张。实际上，这些温度涨落的差别通常只偏离平均值10万分之一左右。 (图片来源：Planck 合作组2013年论文， )