[论文解读] An Historical View: The Discovery of Voids in the Galaxy Distribution

Laird A. Thompson, Stephen A. Gregory|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文记述了宇宙空洞——即跨度约~20 h⁻¹ Mpc、无星系的广阔欠dense区域——在1970年代末期通过早期红移巡天被发现的过程。文章详细描述了格雷戈里与汤普森对室女座-狮子座星系群区域的实证巡天，揭示了由丝状超星系团结构包围的空洞，挑战了此前宇宙均匀性的观点，并在理论模拟验证其发现后，推动了宇宙网模型的广泛接受。

ABSTRACT

Voids in the large scale distribution of galaxies were first recognized and discussed as an astrophysical phenomenon in two papers published in 1978. We published the first (Gregory and Thompson 1978) and Joeveer, Einasto and Tago (1978) published the second. The discovery of voids altered the accepted view of the large scale structure of the universe. In the old picture, the universe was filled with field galaxies, and occasional density enhancements could be found at the locations of rich galaxy clusters or superclusters. In the new picture, voids are interspersed between complex filamentary supercluster structure that forms the so-called cosmic web. The key observational prerequisite for the discovery of voids was a wide-angle redshift survey displayed as a cone diagram that extended far enough in distance to show a fair sample of the universe (i.e., well beyond the Local Supercluster). The initial impact of the 1978 discovery of voids was stunted for several years by theoretical cosmologists in the West who were not quite sure how filaments and voids could emerge from what otherwise appeared to be a homogeneous universe. After it became clear several years later that theoretical models of structure formation could explain the phenomenon, the new void and supercluster paradigm became widely accepted.

研究动机与目标

• 记录通过红移巡天在星系分布中实证发现大尺度欠dense空洞的过程。
• 对比理论宇宙学家最初对空洞是否为真实天体物理特征而非统计伪影的怀疑。
• 追溯早期红移巡天（尤其是格雷戈里与汤普森以及乔维耶尔等人所作的巡天）如何揭示了超星系团与空洞的宇宙网结构。
• 解释数值模拟如何最终验证空洞的存在，并促成空洞-超星系团范式在宇宙学中的广泛接受。
• 确立1978年发现的历史意义，即其如何重塑了大尺度结构形成理论的宇宙学模型。

提出的方法

• 利用高压图像增强器进行大视场红移巡天，以测量星系红移，实现星系分布的三维制图。
• 从红移数据构建圆锥图以可视化大尺度结构，揭示了被丝状超星系团壁包围的欠dense区域。
• 分析富阿贝尔星系团周围的星系分布，以检验其相互连接性（桥接结构），并识别孤立空洞。
• 将观测结果与理论模型进行比较，包括泽尔多维奇的自上而下结构形成理论及后来的分层聚集模型。
• 利用多个巡天的数据——包括CfA巡天以及海恩斯、乔瓦尼埃利和柯尔斯纳等人所作的巡天——交叉验证空洞结构。
• 通过解决空洞可能是视觉错觉而非真实特征的怀疑，评估统计偏差在视觉解释中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些证据支持本地星系分布中存在大尺度欠dense空洞？
• RQ2 尽管红移巡天中已有清晰的视觉与统计证据，为何空洞最初仍遭怀疑？
• RQ3 在实证发现空洞之后，理论宇宙学如何演进以容纳空洞的存在？
• RQ4 早期红移巡天（如格雷戈里与汤普森以及CfA巡天）在多大程度上揭示了超星系团与空洞的宇宙网结构？
• RQ5 数值模拟在验证空洞的天体物理真实性及推动宇宙学共识转变中发挥了何种作用？

主要发现

• 1978年格雷戈里与汤普森在室女座-狮子座星系群区域的红移巡天中首次明确识别出宇宙空洞——直径约~20 h⁻¹ Mpc、无星系的区域。
• 该发现揭示了由丝状超星系团结构构成的宇宙网，空洞位于密集丝状结构之间的欠dense区域。
• 初期理论界的怀疑源于认为空洞可能是统计伪影或视觉错觉，如索内拉与皮布尔斯（1978）所主张。
• 空洞的存在后来通过数值模拟得到验证，这些模拟表明大尺度结构（包括空洞）可由初始密度涨落自然形成。
• 至1980年代初，空洞-超星系团范式被广泛接受，得到柯尔斯纳等人及CfA巡天等多个独立巡天的支持。
• 1986年德·拉帕朗特等人CfA巡天确认了“室女座火柴人”结构，巩固了宇宙网模型，并奠定了1978年发现的历史地位。