在我們的宇宙中，不同類型的星系并不均勻地分布。特別地，本地超星系團中有一個明顯的超星系平面，它是由一些相對近的星系團組成的。在這個平面上，亮的橢圓星系和射電星系比較多，但是亮的盤狀星系卻比較少。這種奇特的差異為我們理解星系和結構的形成提供了一個獨特的測試。在本文中，我將介紹一篇最新的論文，它使用了一個受約束的模擬，來對比標準的ΛCDM模型和標準的星系形成理論與這些觀測的一致性。

ΛCDM模型是什么

ΛCDM模型是目前最廣泛接受的宇宙學模型，它認為宇宙主要由三種成分組成：普通的物質（如原子、分子、星系等），占宇宙總能量密度的約5%；冷暗物質（CDM），占約26%；暗能量占約69%。暗能量是一種神秘的力量，它使得宇宙加速膨脹，而冷暗物質是一種只通過引力相互作用的粒子，它在宇宙中形成了大尺度的結構。

在ΛCDM模型中，宇宙的演化可以分為兩個階段：在早期，宇宙是均勻且熱的，物質和輻射之間頻繁地交換能量，宇宙的結構主要由微小的密度擾動決定，這些擾動可以用量子力學來描述。在后期，宇宙變得不均勻且冷，物質和輻射之間的相互作用變得很弱，宇宙的結構主要由引力作用決定，這些作用可以用牛頓力學來描述。在這個階段，密度擾動逐漸增長，形成了不同尺度的結構，如星系、星系團、超星系團等。

星系是如何形成的

星系是由暗物質暈和其中的氣體和恒星組成的。暗物質暈是由冷暗物質粒子聚集而成的，它們的形狀通常是橢球的，它們的大小和質量可以從幾千光年到幾百萬光年，從幾百萬太陽質量到幾萬億太陽質量不等。氣體和恒星是由普通的物質組成的，它們主要通過引力和電磁相互作用來影響星系的形態和演化。

在標準的星系形成理論中，星系的形成主要取決于兩個因素：氣體的冷卻和暗物質暈的合并。氣體的冷卻是指氣體通過輻射能量而降低溫度的過程，這使得氣體可以在暗物質暈的中心形成一個旋轉的盤狀結構，這就是盤狀星系的起源。在盤狀星系中，氣體可以持續地形成新的恒星，這些恒星通常是藍色的，表明它們很年輕和熾熱。盤狀星系的一個典型的例子就是我們所在的銀河系。

暗物質暈的合并是指兩個或多個暗物質暈相互碰撞而形成一個更大的暗物質暈的過程，這使得星系之間也會發生相互作用和碰撞，這就是橢圓星系的起源。在橢圓星系中，氣體的供應被剝奪或耗盡，恒星的形成停止或減弱，恒星通常是紅色的，表明它們很老和冷。

本地超星系團中的星系分布

本地超星系團是我們所在的一個大尺度的結構，它的大小約為5000萬光年，它包含了約1000個星系團，其中最大的是維爾戈星系團。本地超星系團中有一個明顯的超星系平面，它是由一些相對近的星系團組成的，它們沿著一個特定的方向分布，這個方向被稱為超星系赤道。在這個平面上，亮的橢圓星系和射電星系比較多，但是亮的盤狀星系卻比較少。

這種差異是如何產生的呢？它是否與ΛCDM模型和星系形成理論相一致呢？為了回答這些問題，我們需要使用一個受約束的模擬，來重現本地超星系團的結構和星系的性質。

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受約束的模擬是什么

受約束的模擬是一種特殊的宇宙學模擬，它可以重現我們所在的宇宙的特征。它的原理是利用我們對本地超星系團的觀測，來反推出宇宙早期的密度擾動，然后用這些擾動作為初始條件，來模擬宇宙的演化。這樣，我們就可以得到一個與我們的宇宙非常相似的模擬宇宙，它有著相同的大尺度的結構，如超星系平面和超星系赤道。

受約束的模擬的一個優點是，它可以讓我們在不同的模型和理論下，比較模擬的結果和實際的觀測，從而測試它們的一致性和有效性。受約束的模擬的一個挑戰是，它需要非常高的計算能力和精度，因為它要模擬非常大的體積和非常多的粒子。

在這篇論文中，作者使用了一個名為BORG的受約束的模擬，它是由巴黎天體物理研究所的Guilhem Lavaux和斯德哥爾摩大學的Jens Jasche開發的。BORG模擬使用了一個體積為1.2×10^9立方光年的立方體，其中包含了1024^3個冷暗物質粒子和1024^3個氣體單元。BORG模擬使用了一個基于物理的星系形成模型，它可以根據氣體的冷卻、加熱、化學反應、恒星形成、恒星演化、超新星爆發等過程，來模擬星系的性質，如亮度、顏色、形態、射電輻射等。

模擬的結果和觀測的比較

作者使用了BORG模擬，來生成了一個與我們的宇宙非常相似的模擬宇宙，它有著相同的本地超星系團的結構和星系的分布。然后，作者使用了一個統計的方法，來比較模擬的結果和實際的觀測，從而評估ΛCDM模型和星系形成理論的一致性。

作者發現，模擬的結果和觀測的一致性非常好，表明ΛCDM模型和星系形成理論可以很好地解釋本地超星系團中的星系分布。特別地，作者發現，模擬的結果可以很好地重現觀測到的超星系平面上的橢圓星系和盤狀星系的不同分布，這說明這種差異是由ΛCDM模型和星系形成理論的自然結果，而不是由某些特殊的機制或偶然的巧合造成的。

作者進一步分析了模擬的結果，來探究造成這種差異的原因。作者發現，超星系平面上的橢圓星系和盤狀星系的不同分布，主要是由于它們的形成歷史和環境的不同。在模擬中，超星系平面上的橢圓星系，通常是在早期就形成了的，它們經歷了很多的暗物質暈的合并和星系的碰撞，這使得它們的形態變得不規則，它們的氣體被剝奪或耗盡，它們的恒星形成停止或減弱，它們的顏色變得紅色，它們的射電輻射增強。而超星系平面上的盤狀星系，通常是在后期才形成了的，它們經歷了很少的暗物質暈的合并和星系的碰撞，這使得它們的形態保持了旋轉的盤狀結構，它們的氣體仍然充足，它們的恒星形成持續或增強，它們的顏色變得藍色，它們的射電輻射減弱。

作者的結論是，本地超星系團中的星系分布，是由ΛCDM模型和星系形成理論的自然結果，它反映了不同類型的星系的形成歷史和環境的不同。這一發現為我們理解星系和結構的形成提供了一個有力的證據，也為我們驗證和改進ΛCDM模型和星系形成理論提供了一個有用的工具。