本地星系群内外的质量分布

我们宇宙邻里的隐秘形状

当我们仰望夜空，很容易想象周围的星系像撒在空间中的点一样随机分布。然而，我们所在的宇宙邻里——以银河系和仙女座星系为主导的区域——隐藏着一种令人惊讶的结构，这一结构数十年来令天文学家困惑不已。本文探讨了不可见物质在本地星系群周围的排列方式，表明我们所在的宇宙角落并非曾被假定的近似球形，而是被拉伸成一片巨大的、薄薄的宇宙“平面”，并被巨大的空洞所环绕。

为什么星系运动看起来异常平静

天文学家只能间接测量本地星系群的质量，因为其大部分质量是不会发光的暗物质。半个多世纪以来，一种关键方法将银河系和仙女座视为两体系统，认为它们在大爆炸时共同起始，随后互相被引力拉拢。这个“计时”方法表明，两者合计包含数万亿倍太阳质量，远超过其恒星和气体可见部分的质量。另一种截然不同的技术则观测附近星系随宇宙膨胀而远离我们的速度。通常而言，额外的质量应当明显扰动这种外向流动。但观测显示本地星系群周围的膨胀出人意料地平滑、“安静”，只有相对较小的偏离，这似乎与较高的质量估计相矛盾。

构建与我们宇宙相符的数字宇宙

为了解决这一矛盾，作者构建了遵循标准宇宙学模型的详细计算机模拟，在该模型中冷暗物质和暗能量塑造宇宙结构。利用一种名为BORG的复杂统计框架，他们生成了许多初始条件集，这些初始条件在向前演化后产生了与真实本地星系群非常相似的结构。模拟中的银河系和仙女座最终得到合适的质量、位置和相对运动，且31个精心选择的近邻星系的运动与其测得的后退速度相匹配。这些受约束的模拟经过高分辨率后继运行的精炼，形成了169个我们宇宙邻里的“数字孪生”集合。

广袤的暗物质平面与巨大的空泡

当研究者检查这些模拟中合并后的物质分布时，清晰的图景浮现：本地星系群附近的质量并非像一个近似圆球那样分布，而是像一片至少横跨千万光年的扁平薄片。在这一平面内，物质密度约为宇宙平均值的两倍，且随着从本地星系群向外移动数百万光年，密度实际上还会变得更大。平面上下方是深度更大的低密度区域——宇宙空洞，那里物质密度仅为平均值的约四分之一到三分之一。这样的排列与可见星系所描绘的已知结构高度一致，例如所谓的本地薄片和附近的空洞，显示出在这些尺度上，星系的分布大体上确实追踪了隐藏的暗物质所在。

平坦质量布局如何安抚宇宙流动

这种片状几何形态被证明是解释本地平静膨胀之谜的关键。在球状质量分布中，位于某一距离处的星系所受引力几乎完全取决于其轨道之内包含的质量。任何在附近添加更多物质都会增加向内的引力，从而更强烈地扰动哈勃流。然而在一块扁平的薄片中，位于平面更远处的物质会施加侧向力，部分抵消对中心附近星系的向内拉拽。模拟显示，平面上下的星系强烈向平面塌落，而位于平面内的星系在大约2.5兆秒差距以内仅温和地向本地星系群漂移，在更大距离上反而被推向外侧。总体而言，随机运动保持非常小，甚至比观测提示的更小，但银河系与仙女座的总质量仍然很高并与计时估计一致。

这对我们在宇宙中位置的含义

这项工作表明，不必放弃充满冷暗物质和暗能量的标准宇宙图景来解释我们周围的平静哈勃流。当我们认识到本地星系群周围的质量呈现为一片薄而延展的平面，并被大空洞夹在两侧，而非球形时，重星系晕与温和局部膨胀之间的表面冲突就消失了。作者预测，运动应具有强烈的方向性，尤其是来自平面上下低密度区域的快速坠入——这一效应迄今几乎未被检验，因为已知星系很少描绘出这些高纬度附近区域。发现更多位于这些方向的小型、孤立星系将为检验这一新揭示的宇宙家园结构提供关键证据。

引用: Wempe, E., White, S.D.M., Helmi, A. et al. The mass distribution in and around the Local Group. Nat Astron 10, 548–553 (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02770-w

关键词: 本地星系群, 暗物质, 宇宙网, 哈勃流, 星系动力学