在研究遙遠(yuǎn)的宇宙之前，科學(xué)家必須理解我們周圍的情況。正如我們之前所見到的，引力把銀河系和本星系群的其它成員，以及室女超星系團(tuán)的幾千個(gè)其它星系束縛在一起。幾十年來，天文學(xué)家一直相信那就是我們置身其中的最大的引力束縛結(jié)構(gòu)體。

但是，2014年發(fā)表的一份研究表明，本超星系團(tuán)只是一個(gè)規(guī)模更大的、被叫做拉尼亞凱亞（Laniakea，夏威夷地方方言，意思是“無邊無際的天空”）的群體中的一部分。盡管室女超星系團(tuán)的跨度達(dá)1億光年，拉尼亞凱亞的直徑卻有5億多光年。

2014年9月，天文學(xué)家根據(jù)星系的相對(duì)速度確認(rèn)銀河系、室女超星系團(tuán)和其它幾個(gè)超星系團(tuán)構(gòu)成了拉尼亞凱亞（Laniakea）超星系團(tuán)（圖中被圈起來的區(qū)域）。拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的展幅為5億2千萬光年，坐擁超過10萬個(gè)星系成員，總質(zhì)量高達(dá)10的17次方（即1后面跟著17個(gè)零）倍太陽質(zhì)量。（圖片來源：R. BRENT TULLY, HELENE COURTOIS, YEHUDA HOFFMAN, AND DANIEL POMAREDE）

在地球、甚至是太陽系內(nèi)部，測(cè)量距離不是什么難事，但是，在人造探測(cè)器都還無法到達(dá)的地方，距離的測(cè)量就困難多了。天文學(xué)家沒辦法用卷尺測(cè)量地球到另一個(gè)星系的距離。他們使用的測(cè)量工具是一種天體發(fā)出的光。

測(cè)量宇宙的膨脹

計(jì)算遙遠(yuǎn)的星系與我們之間的距離有兩種方法。其中最簡(jiǎn)單的方法就是利用天體的視亮度。里昂大學(xué)的Helene Courtois是定義拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的學(xué)者之一，她拿測(cè)量60瓦燈泡的距離來打比方。因?yàn)槟阋呀?jīng)知道燈泡的真實(shí)亮度，所以你只要測(cè)量它看上去有多亮，就能計(jì)算出它離你有多遠(yuǎn)。

星系發(fā)出的可見光在傳播到地球的過程中總會(huì)受到塵埃的遮擋，于是天文學(xué)家便測(cè)量這些星系在射電波段的輻射強(qiáng)度，由此推算它們?cè)诳梢姽獠ǘ伟l(fā)出多少能量。然后，他們?cè)侔延^測(cè)到的亮度與計(jì)算得到的實(shí)際能量進(jìn)行比較，來確定這些星系的距離。

另一種測(cè)量方法是通過分析星系團(tuán)里最明亮的星系發(fā)出的光來確定星系團(tuán)成員的運(yùn)動(dòng)情況。這個(gè)計(jì)算的難度要更大一些，但卻基于下面這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)——光能夠告訴科學(xué)家，一個(gè)物體究竟是向我們飛奔過來，還是離我們而去。如果星系朝向地球運(yùn)動(dòng)，它發(fā)出的光的顏色會(huì)偏藍(lán)一些；如果它向著遠(yuǎn)離地球的方向運(yùn)動(dòng)，光的顏色就會(huì)偏紅。其它星系的引力拉扯或者宇宙的膨脹都有可能引起這樣的運(yùn)動(dòng)。

如今，我們已經(jīng)知道宇宙正在膨脹，并且?guī)е窍狄黄鸾^塵而去?？茖W(xué)家只要比較同一片天區(qū)里大量天體的運(yùn)動(dòng)情況，就能分解出不同的運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)天文學(xué)家對(duì)超星系團(tuán)的成員星系進(jìn)行劃分時(shí)，可見物質(zhì)和不可見物質(zhì)（暗物質(zhì)）的引力作用都要考慮在內(nèi)。

在發(fā)現(xiàn)拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的過程中，Courtois與同事用上面提到的兩種方法對(duì)8100多個(gè)臨近星系的距離和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)，在某一個(gè)區(qū)域中，有些星系朝這個(gè)方向走，而另一些星系卻往另一個(gè)方向走。就像山頂上的一顆小石子既可以掉入這邊的山谷，也可以滾向另一邊的山谷，那個(gè)拐點(diǎn)標(biāo)志著拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的邊界。不過，更遠(yuǎn)處的宇宙又有些什么呢？

纖維結(jié)構(gòu)和空洞

在幾十年前，天文學(xué)家借助前面提到的兩種技術(shù)分析星系發(fā)出的光，開始繪制宇宙的物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖。到了20世紀(jì)70年代晚期和80年代早期，宇宙結(jié)構(gòu)的圖景漸漸浮現(xiàn)出來：星系簇?fù)碓谝黄穑瑠A在它們之間的是空洞。

80年代晚期，天文學(xué)家又注意到我們附近的星系都朝著南天球的一個(gè)特定區(qū)域運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)是由引力驅(qū)動(dòng)的，說明那個(gè)區(qū)域肯定含有大量質(zhì)量；科學(xué)家把它叫做“巨引源”（Great Attractor）。拉尼亞凱亞超星系團(tuán)里的所有星系正朝著那個(gè)地點(diǎn)掉落下去。

當(dāng)天文學(xué)家展開更大規(guī)模、覆蓋更大面積的天區(qū)的巡天觀測(cè)時(shí)，更多發(fā)現(xiàn)隨之而來。望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)的性能還在快速地提升，采光能力更強(qiáng)、靈敏度也更高的探測(cè)器讓科學(xué)家能夠看得更遠(yuǎn)，看到越來越遠(yuǎn)的過去。

上圖展示了鄰近宇宙中的12萬5千零71個(gè)星系如何聚集成團(tuán)。作為6度視場(chǎng)星系巡天（6 Degree Field Galaxy Survey）觀測(cè)的組成部分，天文學(xué)家制作了這幅圖。（圖片來源：C. FLUKE/6DF SURVEY）

科學(xué)家的視線已經(jīng)穿越半個(gè)宇宙，看到那里的大尺度結(jié)構(gòu)，確定那里的星系如何分布。他們看見星系與其宿主星系團(tuán)“結(jié)成團(tuán)塊”，由星系串聯(lián)形成的星系鏈把這些團(tuán)塊連接起來，夾在它們之間的空間一片空白。這就是我們所說的“宇宙網(wǎng)”。這個(gè)景象在宇宙各處不斷重復(fù)，使得從大尺度看過去，宇宙中沒有哪一處地點(diǎn)比其它任何地點(diǎn)更加重要。

但是，宇宙中還有更多物質(zhì)是望遠(yuǎn)鏡看不到的。星系鏈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是一種神秘物質(zhì)，我們只能通過它與星系、恒星的引力作用來推斷它的存在。在星系團(tuán)里，它遍布在星系周圍，也是它維系著連接超星系團(tuán)的星系鏈或者說纖維結(jié)構(gòu)。宇宙中暗物質(zhì)的含量比普通物質(zhì)高出5至6倍。

由于天文學(xué)家看不見暗物質(zhì)，他們也就無法看見宇宙結(jié)構(gòu)的主體。為了理解它的模樣，科學(xué)家借助復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來構(gòu)建宇宙，把整個(gè)宇宙演化歷史壓縮至幾周時(shí)間。他們大略知道現(xiàn)在宇宙中有多少普通物質(zhì)，有多少暗物質(zhì)。他們把這個(gè)信息與物理定律一起編入計(jì)算機(jī)模型。

2009年，由五個(gè)國家的天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行千禧（Millennium）-II計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，模擬宇宙在一個(gè)邊長為四億光年的立方體積內(nèi)的演化。研究者跟蹤了超過100億顆“暗物質(zhì)粒子”的演化，每顆粒子的質(zhì)量為690萬倍太陽質(zhì)量。上面四幅圖（從A至D）展示在一個(gè)邊長為5千萬光年的視場(chǎng)中暗物質(zhì)粒子在114億年的演化過程。（圖片來源：BOYLAN-KOLCHIN, ET AL.(2009)）

“當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)束，虛擬宇宙演化成形，我們就把它與我們觀測(cè)到的宇宙進(jìn)行比較，”Courtois說。計(jì)算機(jī)模型揭示出的結(jié)構(gòu)要比我們實(shí)際觀測(cè)到的多，早在幾十億年前，宇宙網(wǎng)就已經(jīng)形成了。

明亮的指示牌

即使最明亮的星系也無法與正在積極吞噬物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞爭(zhēng)輝。雖然在每個(gè)大質(zhì)量星系的內(nèi)部都潛伏著這樣一個(gè)饕餮巨獸，但它們之中只有一小部分正在吞食物質(zhì)，天文學(xué)家把它們歸為“活躍類”。類星體就是活動(dòng)星系核的一種。

上面這幅3C348的照片是用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在光學(xué)波段拍攝的照片與甚大陣（Very Large Array，簡(jiǎn)稱VLA）在射電波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)合成的?！肮必?fù)責(zé)拍攝位于中心的黃色橢圓星系，VLA的觀測(cè)則揭示了一個(gè)帶有高能等離子體噴流的活動(dòng)星系核。這個(gè)寬度為150萬光的噴流源自于一個(gè)擁有25億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家利用類星體（另一種活動(dòng)星系核）來研究遙遠(yuǎn)的宇宙。（圖片來源：NASA/ESA/S. BAUM AND C. O’DEA(RIT)/RPERLEY AND W. OOTTON(NRAO/AUI/NSF)/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)）

黑洞吃掉的物質(zhì)包括靠得太近的恒星或者氣體云。在引力的牽引下，物質(zhì)流向大質(zhì)量黑洞，就像水旋入下水道一樣，在黑洞周圍形成吸積盤。物質(zhì)因摩擦生熱而發(fā)光。這些光在很遠(yuǎn)處都能看到——實(shí)際上，這個(gè)距離是如此遠(yuǎn)，以至于離我們最近的類星體發(fā)出的光需要走6億年才能到達(dá)地球。

天文學(xué)家已經(jīng)找到散落在宇宙各處的類星體。最遠(yuǎn)的一個(gè)早在宇宙大爆炸后7億5千萬年就已出現(xiàn)。它發(fā)出的光要走130多億年才能到達(dá)地球。

類星體發(fā)出的光是研究遙遠(yuǎn)宇宙的萬能工具?？茖W(xué)家能夠像描繪星系的空間分布那樣，繪制類星體的分布，由此來繪出纖維結(jié)構(gòu)和空洞。此外，類星體還像手電筒那樣，照亮了宿主星系周圍的氣體、星系際氣體、甚至是沿著附近的纖維結(jié)構(gòu)流入的氣體。

加利福尼亞州立大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家J. Xavier Prochaska與同事一起對(duì)大約20顆遙遠(yuǎn)的類星體進(jìn)行了研究，得到了兩個(gè)大發(fā)現(xiàn)。首先，他們看到一顆類星體被一大群氫團(tuán)團(tuán)包圍，規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出星系的正常尺寸。他們推測(cè)這團(tuán)氣體是沿類星體所在的纖維結(jié)構(gòu)分布著。這顆類星體發(fā)出的光傳到地球時(shí)已經(jīng)花了近110億年。

第二個(gè)發(fā)現(xiàn)是，學(xué)者們最近發(fā)現(xiàn)了四個(gè)彼此挨得很近，并被一大團(tuán)氫云包裹著的類星體?！八鼤?huì)演化成類似于我們今天所見到的室女星系團(tuán)那樣的結(jié)構(gòu)，”Prochaska說。

在這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)中，天文學(xué)家們看到的光是熒光。Prochaska說，“類星體在一系列能量段發(fā)光，這些光照射到星系上，星系實(shí)際上又把光給反射出去?！盤rochaska認(rèn)為，未來5至10年新上線的觀測(cè)工具能讓天文學(xué)家找到隱藏在纖維結(jié)構(gòu)和正在形成的星系團(tuán)中的好幾百顆類星體。

前往宇宙早期

天文學(xué)家越往遠(yuǎn)處看，他們看到的結(jié)構(gòu)就越少。這是因?yàn)樗麄兛匆娏嗽缙诘挠钪?，我們今天看見的結(jié)構(gòu)——例如旋渦星系，以及由數(shù)千個(gè)星系構(gòu)成的星系團(tuán)——在當(dāng)時(shí)還不存在。宇宙并非生來就有如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。正好相反，宇宙在大爆炸后曾經(jīng)既致密又熾熱，電子、質(zhì)子和光子頻繁碰撞，充斥在整個(gè)宇宙空間。自那以后，宇宙已經(jīng)膨脹了138億2千萬年。

隨著膨脹，宇宙開始降溫，直到它的溫度降低到3000開時(shí)，每個(gè)質(zhì)子捕獲身邊的一個(gè)電子形成一個(gè)呈電中性的氫原子。雖然還有零星幾個(gè)粒子四處游蕩，“彈球”（粒子相撞）游戲已經(jīng)結(jié)束了。

與此同時(shí)，光子也獲得了解放，可以在宇宙空間中自由飛行。自那時(shí)起，它們便沿著時(shí)空結(jié)構(gòu)傳播開去。由于宇宙的膨脹拉長了光子的波長，這些光子成為了我們?cè)诮裉炜吹降?、遍布全天的微波背景輻射（?jiǎn)稱CMB）。

無論從哪個(gè)方向看，CMB都幾近相同（即各向同性）。它告訴天文學(xué)家，在大爆炸后38萬年時(shí)宇宙的模樣——幾乎毫無結(jié)構(gòu)特征、由氫和氦構(gòu)成的粒子湯。

CMB自身溫度的微小起伏反映出不同區(qū)域的物質(zhì)密度存在微小的差異。最終，密度較高的區(qū)域形成星系、甚至星系團(tuán)，密度較低的區(qū)域則空無一物。

“理解簡(jiǎn)單的宇宙如何演化成有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜宇宙，是天文學(xué)研究中缺少的重要一塊，”洛杉磯市加利福尼亞州立大學(xué)的Steve Furlanetto說。

這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生在天文學(xué)家所說的黑暗時(shí)期。在那個(gè)時(shí)期，物質(zhì)的密度還不夠高，不足以形成恒星，照亮宇宙。當(dāng)?shù)谝慌阈浅錾R聚形成星系，宇宙開始演化成我們今天所見的模樣。但是，第一批星系比銀河系小了100萬倍，而且非常遙遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡無法看見它們，F(xiàn)urlanetto說。盡管如此，天文學(xué)家還是能夠通過其對(duì)周圍物質(zhì)的影響來搜尋這第一批天體。

黑暗時(shí)期開始于CMB之后，結(jié)束于類星體與星系形成（大爆炸后10億年）之前。這個(gè)中間階段的搜尋工作全都圍繞著宇宙中最多的元素——?dú)鋪磉M(jìn)行。隨著恒星和星系開始發(fā)光，它們發(fā)出高能輻射。輻射的能量很強(qiáng)大，足以剝離掉氫原子的電子，使之成為氫離子。

這些光源繼續(xù)發(fā)射能量，“一點(diǎn)點(diǎn)地，第一批光源在宇宙空間中蝕刻出由離子物質(zhì)構(gòu)成的孔洞，”荷蘭開普坦天文研究所的Saleem Zaroubi說。隨著越來越多的恒星形成、發(fā)光，這些孔洞的面積不斷擴(kuò)大，個(gè)數(shù)不斷增多，直到恒星周圍所有的中性氫都被電離了。

天文學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)?shù)谝慌阈呛托窍嫡樟劣钪?，把氫原子（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成）電離成氫離子（只有一個(gè)質(zhì)子，沒有電子），由此開啟了持續(xù)幾億年時(shí)間的再電離時(shí)期。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

找到這個(gè)轉(zhuǎn)變時(shí)期的關(guān)鍵方法是1944年人們發(fā)現(xiàn)中性氫在21厘米處發(fā)出射電輻射。然而，氫離子不會(huì)發(fā)射這種輻射。在宇宙早期，中性氫遍布各處，研究人員預(yù)計(jì)能夠觀測(cè)到微弱的射電輻射。這使得距離我們較近的區(qū)域沒有21厘米信號(hào)，更遠(yuǎn)的區(qū)域則有較強(qiáng)的輻射。

這個(gè)信號(hào)的搜尋工作——尋找天文學(xué)家所謂的“再電離時(shí)期”存在的證據(jù)——?jiǎng)倓傉归_，目前還沒有任何儀器探測(cè)到這個(gè)微弱的信號(hào)。有能力探測(cè)這個(gè)輻射的射電望遠(yuǎn)鏡最近已經(jīng)開始工作，另一個(gè)則還要等上幾年才能開工。

準(zhǔn)備測(cè)繪宇宙再電離時(shí)期的科學(xué)家指出，從電中性的、平淡無奇的宇宙向被電離的、有團(tuán)塊結(jié)構(gòu)的宇宙的轉(zhuǎn)變是一個(gè)漫長的過程——可能持續(xù)幾億年時(shí)間。它是宇宙歷史中一個(gè)重要的缺失部分。Zaroubi對(duì)此表示同意，說：“這對(duì)于理解宇宙從開始到現(xiàn)在的演化歷程是非常重要的一步?！?/span>

天文學(xué)家對(duì)大尺度上的宇宙結(jié)構(gòu)，以及宇宙的早期圖景已經(jīng)有了非常多的了解。然而，不走運(yùn)的是，在譜寫宇宙歷史時(shí)，他們?nèi)匀蝗鄙倭艘粋€(gè)重要的篇章。

像Zaroubi、Furlanetto這樣研究再電離時(shí)期的科學(xué)家們相信，未來幾十年的觀測(cè)將向我們揭示出遙遠(yuǎn)的射電輻射，告訴我們宇宙是如何從遍布中性氫的狀態(tài)演化成為充滿復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣子的，如何形成星系、恒星和我們稱之為家的行星的。

(全文完)