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天文學(xué)家正在努力了解宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)——它們是如何形成以及是如何影響宇宙膨脹的？ 在最大的尺度上，我們的宇宙看上去就猶如午后無風(fēng)的湖面， 平靜、波瀾不驚。但是在數(shù)億光年或者更小的尺度上，宇宙則呈現(xiàn)出了物質(zhì)和巨洞之間的隨機(jī)、混雜分布。這是一個物質(zhì)會聚集成團(tuán)的宇宙。 雖然巨洞占據(jù)了宇宙體積的絕大部分，但纖維狀的物質(zhì)密集區(qū)會交織在這些“空空如也”的巨洞周圍。猶如蛛網(wǎng)上反射陽光的串串水珠，這些纖維會把發(fā)光的星系聯(lián)接起來。被“粘”在這張宇宙之網(wǎng)上的有單個的星系、星系團(tuán)以及由星系團(tuán)組成的更為神秘的超星系團(tuán)。
[圖片說明]：宇宙大尺度結(jié)構(gòu)顯示巨洞會被纖維狀結(jié)構(gòu)所包圍，而這些纖維又會連接超星系團(tuán)。這一數(shù)值模擬顯示，宇宙并非天文學(xué)家原先所想象得那么均勻。那么這一超結(jié)構(gòu)又是如何形成的呢？版權(quán)：MPIA/Springel等人。 超星系團(tuán)通常包含有至少8個規(guī)模和室女星系團(tuán)（由約2,000個星系組成）相當(dāng)?shù)陌⒇悹栃托窍祱F(tuán)。事實上，一個“普通”的超星系團(tuán)通常在直徑2～3億光年的范圍內(nèi)會包含上至大約50,000個的星系。 讓宇宙學(xué)家們感到疑惑的不僅僅是超星系團(tuán)的樣子，還包括它們的形成、演化和相互作用。和超星系團(tuán)相關(guān)的一個最基本問題是，看似隨機(jī)分布的宇宙物質(zhì)能告訴我們些什么有關(guān)宇宙最終性質(zhì)或者我們在這個宇宙中作用的信息？ 探測結(jié)構(gòu) 超星系團(tuán)存在的首個證據(jù)來自18世紀(jì)赫歇爾家族的星云巡天。近兩個世紀(jì)后，當(dāng)美國加州大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家喬治·阿貝爾（George Abell）在帕洛馬天文臺巡天照相底片中搜尋星系團(tuán)的時候，他也發(fā)現(xiàn)了超星系團(tuán)的蛛絲馬跡。 阿貝爾隨后公布了第一個星系團(tuán)表。雖然據(jù)估計宇宙中應(yīng)該存在數(shù)以百萬計的超星系團(tuán)，但現(xiàn)如今天文學(xué)家們只發(fā)現(xiàn)了其中的幾十個。 對超星系團(tuán)如何影響宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究也在逐漸地取得進(jìn)展。40年前，科學(xué)家們認(rèn)為，尺度越大，宇宙在各個方向上就越均勻，即“各向同性”。在過去的30年里，宇宙學(xué)家在扇形區(qū)域中所進(jìn)行的深空巡天發(fā)現(xiàn)宇宙并非如此。 從遠(yuǎn)處看超星系團(tuán)，它們就像是鐵路線上的不同城市。而它們的邊界也非常的模糊，因為纖維結(jié)構(gòu)通常會在大范圍內(nèi)把它們聯(lián)接到一起。 因此很難想象一個超星系團(tuán)的范圍，而更難想象的是大尺度結(jié)構(gòu)是如何從時空結(jié)構(gòu)中生長起來的。不過，超星系團(tuán)是在數(shù)千萬到數(shù)億光年的尺度上被組織起來的。所以宇宙學(xué)家相信，早期宇宙結(jié)構(gòu)中的初始波動和漲落是形成現(xiàn)在我們所看到的星系團(tuán)和超星系團(tuán)的種子。 當(dāng)宇宙還非常年輕的時候，它的溫度很高，這些大尺度結(jié)構(gòu)的胚胎只不過是宇宙極早期物質(zhì)中的隨機(jī)漲落。隨后，當(dāng)引力接管了宇宙之后，物質(zhì)就會開始在密度較高的地方聚集。但在這之前，漲落就已經(jīng)存在了。
[圖片說明]：局部宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)。在2微米全天巡天中共觀測了大約160萬個星系。在這張全天的星系分布圖中，最亮和最近的星系用紫色和藍(lán)色表示，最暗和最遠(yuǎn)的星系用紅色表示。這給出了宇宙的三維的結(jié)構(gòu)。版權(quán)：2MASS/T.H. Jarrett/J. Carpenter/R. Hurt。 未來的大型射電望遠(yuǎn)鏡陣將能夠在大范圍內(nèi)探測中性氫，它們是構(gòu)筑所有星系的基本材料。通過跟蹤氫，宇宙學(xué)家就可以一覽宇宙早期的結(jié)構(gòu)以及最早的超星系團(tuán)的形成。 天文學(xué)家們還希望能用這些望遠(yuǎn)鏡測量出早期星系的紅移。星系的紅移直接和宇宙時空的膨脹有關(guān)，因此這些測量結(jié)果可以使得天文學(xué)家能夠追蹤超星系團(tuán)隨著時間的演化，并由此尋找中性氫氣體和星系形成之間的因果關(guān)系。 星系團(tuán)，例如鄰近的室女星系團(tuán)，自形成過程開始之后的10億年里它會在自身的引力作用下坍縮。但現(xiàn)在超星系團(tuán)仍然處于膨脹和形成階段。事實上，超星系團(tuán)太大了，它坍縮所需的時間比宇宙的年齡還要長。雖然它們的核心仍有可能會坍縮，但它們的外部區(qū)域并不會跟進(jìn)。 星系長城和巨洞 盡管超星系團(tuán)非常巨大，但它并非是宇宙中由引力維系的最大實體。龐大的“星系長城”才是，而組成城墻的正是超星系團(tuán)、星系團(tuán)和單個的星系。 對超星系團(tuán)結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識在大約30年前就已經(jīng)明晰。星系的形成始于宇宙中物質(zhì)最密集的地方，例如超星系團(tuán)的中心。那里同時也是開啟恒星形成的地方。而在超星系團(tuán)的外圍密度則要低得多。 20世紀(jì)70年代中期，天文學(xué)家之間有一場大辯論，超星系團(tuán)是不是僅僅是由隨機(jī)分布的星系團(tuán)在視線上的集中而“造”成的。但在1977年之后，天文學(xué)家們一致同意，超星系團(tuán)是真實的物理系統(tǒng)。天文學(xué)家證實，所有的星系都是超星系團(tuán)的成員。即便是“散居”于巨洞中的獨立星系也并不是孤立的，而是某個暗弱的星系系統(tǒng)的一份子。 永恒的運動 雖然所有的物質(zhì)都是永無止境的宇宙之網(wǎng)的一部分，但不管是單個星系還是超星系團(tuán)都始終是在運動的。例如，大尺度上超星系團(tuán)可以干擾一個星系由于宇宙自身膨脹而產(chǎn)生的運動（被稱為“哈勃流”）。這就像一塊巨石會擾亂冰冷的山泉一樣。因此，在局部的小尺度上，朝向超星系團(tuán)運動的星系并不會“隨波逐（哈勃）流”。相反，它們可能會朝向我們運動，表現(xiàn)為“藍(lán)移”。 20世紀(jì)80年代后期，天文學(xué)家很想知道大量星系作為一個整體是如何運動。在扣除了由于宇宙膨脹造成的運動之后，他們得到了星系的本動速度。換句話說，天文學(xué)家們這時得到的是某個星系相對于其他星系、甚至是宇宙背景輻射的運動速度。舉個例子，銀河系在本星系群中的速度就由三個不同的分量組成。 在局部的尺度上，我們就位于一段包圍著巨洞的星系長城之上。巨洞正好和超星系團(tuán)相反，而銀河系就位于一個膨脹著的巨洞的邊緣。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系正在以高速離開這個巨洞。這一運動正是附近的超星系團(tuán)的引力所造成的。 在中間的尺度上，我們正在被拉往距離我們最近的大型物質(zhì)聚集區(qū)——5,500萬光年遠(yuǎn)的室女星系團(tuán)。而室女星系團(tuán)又隸屬于室女超星系團(tuán)。
[圖片說明]：室女星系團(tuán)是距離我們最近的星系團(tuán)之一。和本星系群一起，它也是我們所在的超星系團(tuán)的一部分。版權(quán)：Bob Fera, Janice Fera。 在更大的尺度上，一個更大的矩尺-長蛇-半人馬超星系團(tuán)正在把我們拉向它。我們的本星系群和室女超星系團(tuán)都屬于它。 而矩尺-長蛇-半人馬超星系團(tuán)又正受到位于半人馬座南部、6億光年遠(yuǎn)的沙普利聚合體的引力吸引。沙普利聚合體的質(zhì)量是室女超星系團(tuán)的大約4倍，同時也是已知密度最高的超星系團(tuán)。 大規(guī)模巡天 更好地確定超星系團(tuán)動力學(xué)的一個辦法就是進(jìn)行大范圍的巡天。最近在澳大利亞剛完成的6度視場星系巡天（6dFGS）覆蓋了17,000平方度的天空，即80%的南部天空，為了解南天的大尺度結(jié)構(gòu)提供了最詳細(xì)的觀測資料。雖然觀測小組仍在分析數(shù)據(jù)，但他們報告6dFGS已獲得了約125,000個星系的紅移，其中還包括了南天400多個阿貝爾星系團(tuán)。 用來尋找星系團(tuán)的方法類似于“找朋友”。選定一個星系，看看它有沒有鄰近的星系，然后再看看這些星系周圍有沒有星系。當(dāng)星系的周圍不再有星系的時候，這就是一個星系團(tuán)。 但在深度巡天的觀測資料中重復(fù)這一過程則是非常艱巨的。50年前，天文學(xué)家對于星系的總體分布一無所知?，F(xiàn)在天文學(xué)家知道，星系和星系團(tuán)是物質(zhì)的高密度集中區(qū)。而超星系團(tuán)并不（僅僅）是星系團(tuán)的集合，而是宇宙之網(wǎng)中的高密度區(qū)。 在不久的將來，6dFGS和詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)將幫助我們更好地了解超星系團(tuán)。但是還沒有任何數(shù)值模擬可以重現(xiàn)超星系團(tuán)的細(xì)節(jié)。為了完善這些計算機(jī)模擬，天文學(xué)家需要更好的觀測數(shù)據(jù)。在北天進(jìn)行的6dFGS將會對此有所幫助。
另外，一個新的巡天計劃也將加入其中。美國夏威夷大學(xué)主導(dǎo)的全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（Pan-STARRS）是到目前為止視場最大的光學(xué)巡天，一旦在2013年完全投入使用它可以覆蓋75%的天空。Pan-STARRS將會大大增進(jìn)我們對50億光年內(nèi)星系三維結(jié)構(gòu)及其周圍大尺度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。 自相似宇宙？ 90%的宇宙由巨洞占據(jù)，其余10%則是纖維結(jié)構(gòu)和超星系團(tuán)，這意味著什么？答案可能在于“分形”。雖然類似Pan-STARRS這樣的深度巡天應(yīng)該會給出一幅有關(guān)超星系團(tuán)究竟在天空中是如何分布的全局圖像，但在相對較大的局部尺度（1～3億光年）上宇宙是呈現(xiàn)出分形結(jié)構(gòu)的。 簡單地講，分形是一種描述在不同尺度上重復(fù)自身不均勻形狀的數(shù)學(xué)方法。它無限復(fù)雜，卻又具有自相似的結(jié)構(gòu)。分形的例子包括樹木的分支結(jié)構(gòu)、珊瑚礁、人體血管系統(tǒng)、海岸線、石頭和金屬碎片、山脈、雪花和超星系團(tuán)。即便分形無法揭示出這些結(jié)構(gòu)的形成過程，但它著實為我們提供了一個審視宇宙是如何組織起來的新視角。 幾年前，宇宙學(xué)家說分形并不適用于宇宙。但是現(xiàn)在他們改變了想法，不過依然認(rèn)為對于無限小和無限大分形仍不適用。 然而，雖然絕大多數(shù)宇宙學(xué)家并不贊同，但正如一些宇宙學(xué)家現(xiàn)在所相信的，如果宇宙是無限的，那么分形最終也許會被證明可以延伸到無限的尺度上。即使宇宙的某些“切片”具有分形結(jié)構(gòu)，它仍然告訴我們宇宙是有規(guī)律的。 自然法則會在極為不同的條件下起作用，而書寫下這些法則的正是數(shù)學(xué)和物理?？此仆耆珱]有規(guī)則的事物，事實上是非常有規(guī)律的。同樣的，我們的宇宙也受到這些最基本規(guī)律的支配。不過究竟是什么樣的物理規(guī)律造就了這些分形結(jié)構(gòu)目前還不得而知。 大圖畫 對于那些愿意從哲學(xué)層面來思考宇宙的人來說，將宇宙最大尺度的分形結(jié)構(gòu)和巖石碎片聯(lián)系起來著實是一件傷透腦經(jīng)的事情。即便如此，理論天文學(xué)家和觀測天文學(xué)家仍將會繼續(xù)進(jìn)行更為深入的巡天觀測和更為全面的計算機(jī)模擬，以此來幫助他們至少了解另外兩個難題。 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)真的能被了解嗎？大尺度結(jié)構(gòu)對于生命的出現(xiàn)起到了什么作用？ 天文學(xué)家相信，關(guān)于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成和演化的細(xì)節(jié)將會在幾十年之內(nèi)取得突破。但要搞清楚宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和地球上生命之間的聯(lián)系則要花更長的時間。 在此期間，宇宙組織結(jié)構(gòu)的細(xì)微之處仍將是耐人尋味而又不可思議的事情。 |
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