我們都在這片宇宙「羽毛」的渺小一角
本文來自《環球科學》雜誌，未經授權謝絕轉載。
天文學家發現，銀河系身處的超星系團要比過去認為的還要大得多。而這一發現只是重新繪製宇宙新地圖的第一步。
撰文?諾姆 · I · 里伯斯金（Noam I. Libeskind）
R · 布倫特 · 塔利（R. Brent Tully）
翻譯?郭宏
想像一下訪問一個遙遠的星系，然後在寄給家人的明信片上填寫收件地址。你可能先寫下房子所在的街道和城市，然後是所在的行星——太陽的第三顆行星地球。接下來，地址中可以列上太陽的位置在銀河系的獵戶臂上，這是星系邊緣的一段旋臂。緊接著是銀河系在本星系群（包含超過50個近鄰星系，覆蓋了大約700萬光年空間範圍）中的位置。相應地，本星系群也位於室女星系團的外圍，而中心距離地球5000萬光年的室女星系團擁有超過1000個星系，但也只是本超星系團的一小部分。橫跨超過1億光年的本超星系團由數百個星系群組成，這樣的超星系團一直被認為是宇宙大尺度結構最大的組成部分，構成了巨大的纖維狀和牆狀星繫結構，共同圍繞在幾乎沒有任何星系存在的空洞周圍。
拉尼亞凱亞——4億光年的宇宙家園。視頻來源：Nature/科學美國人網站
直到不久前，本超星系團可能就是你的宇宙地址的結尾了。天文學家認為，在這個尺度以上再做說明就毫無意義了，因為在更大的尺度上，由超星系團交織成的界限分明的牆狀結構與空洞就會讓位於沒有可分辨特徵的均勻宇宙。但是，2014年由本文作者塔利所領導的團隊發現，我們是一個極為龐大的結構的一部分，其巨大程度徹底顛覆了之前的觀點。事實證明，本超星系團也只是一個更加巨大的超星系團的一葉，而那個超星系團包含了10萬個大星系，橫跨4億多光年。發現這一龐大超星系團的團隊把它命名為「拉尼亞凱亞」 ——在夏威夷語里是「無盡的天堂」的意思，來向早期利用恆星定位，在太平洋中航行的波利尼西亞人致敬。銀河系的位置遠離拉尼亞凱亞的中心，在它的最邊緣地帶。
橫貫空間的星系流勾勒出了拉尼亞凱亞超星系團的輪廓。它包含了我們的銀河系以及其他10萬個大星系。圖片來自《環球科學》，由NASA、ESA和哈勃遺產團隊提供。
拉尼亞凱亞遠不止是我們宇宙地址中新的一行。通過研究這個龐大結構的構造和動力學，我們可以更多地了解宇宙的過去和未來。繪製成員星系的分布以及它們的運動模式可以幫助我們更好地理解星系是如何形成和增長的，同時可以幫助我們更多地了解暗物質的本質，天文學家認為，宇宙80%的物質都是這種不可見的成分構成的。
拉尼亞凱亞也能夠幫助我們解開暗能量之謎，這種在1998年發現的強大力量驅動著宇宙加速膨脹，並因此會決定宇宙的最終命運。而超星系團也可能不是我們宇宙地址的最後一行——事實上，它還可能是尚未被發現的更大結構的一部分。
星系團，如本圖中的后髮星系團，是宇宙中最大結構的基石。位於3億多光年之外的后髮星系團擁有大約1000個大星系，但它只是一個更大結構的一部分。這個結構叫作後發超星系團，位於拉尼亞凱亞的邊界外。圖片來源：《環球科學》
星系的流動
發現拉尼亞凱亞並非該團隊本來的目的。他們是在努力解答關於宇宙本質的一些長期懸而未決的基本問題時，碰巧得到了這一發現。
近一個世紀之前，科學家就知道宇宙在膨脹，從而拉動星系遠離彼此，正如膨脹氣球表面的圓點互相分開一樣。然而在最近十幾年他們又認識到，如果星系只受宇宙膨脹影響的話，大多數星系相互遠離的速度都應該比實際觀測結果更快。還有一個較為局域性的力量也在發揮作用——來自周圍其他物質聚集體的引力拖曳能夠抵消星系隨宇宙膨脹的運動。星系實際的運動速度是源於宇宙膨脹的星系運動和源於星系局域環境的運動的總和，而後者被稱為本動速度。
把我們能看到的所有星系裡的恆星、所有的氣體和其他我們知道的普通物質都加到一起，產生的引力還是不足以解釋星系的本動速度，差了一個數量級。出於無知，我們天文學家稱呼這些缺少的部分為「暗物質」。我們相信，暗物質粒子和宇宙其他成分只通過引力相互作用，不會通過其他力（如電磁力）作用，並且暗物質補足了要解釋觀測到的星系速度所「缺少」的引力。科學家認為，星系位於暗物質池塘的深處——暗物質像隱形的腳手架，星系圍繞著它們不斷聚集成長。
塔利團隊和其他研究者意識到，創建星系流和本動速度的地圖能夠揭示暗物質在宇宙里的隱形分布，從而通過它們對星系運動的引力作用來發現這種神秘物質的最大集合體。如果星系的流動方向都指向一個特定的點，我們就可以假設這些星系都受到一個高物質密度區域的引力作用，從而被拖向了這個點。
他們同樣意識到，弄清楚宇宙中所有形式物質的密度和分布，有助於解決另一個更深奧的謎題：宇宙不僅在膨脹，而且這種膨脹還在不斷加速。這種行為就像拋向空中的石頭向天空直衝而去並不落回地面一樣違背常理。驅動這種奇怪現象的力量被叫作「暗能量」，它對宇宙的未來有著深遠的影響。加速膨脹意味著宇宙最終會經歷一個冷卻的死亡過程——大部分的星系會以不斷加快的速度遠離彼此，直到每個星系中的每顆恆星都死去，所有物質都冷卻到絕對零度，最終的黑暗就會降臨宇宙。但想要明確知道宇宙最終的結局，不僅需要確定暗能量到底是什麼，還需要知道宇宙中有多少物質：如果物質密度足夠高，在物質的自引力作用下，我們的宇宙在遙遠未來就能夠把膨脹反轉為塌縮。或者，宇宙物質密度恰好在一個平衡點上，能夠實現一個不斷減緩但是無限持續的膨脹過程。
為了測量宇宙普通物質和暗物質密度，塔利團隊開始繪製星系流，這最終引領他們發現了拉尼亞凱亞。
描繪星系流需要同時知道星系源於宇宙膨脹的運動和源於附近物質引力的運動。作為第一步，天文學家測量了星系的紅移。紅移指的是星系隨著宇宙膨脹退行時，它所發出的光的波長也被拉長了。汽笛朝我們運動時比遠離時聲調更高，因為它所發出的聲波頻率被壓縮到了更高的頻率和更短的波長。同樣地，遠離我們的星系所發出的光波也會偏移到更低的頻率和更長、更紅的波長——它們退行得越快，紅移也越大。因此，天文學家可以利用一個星系的紅移測量其整體運動速度，並粗略地估計它的距離。
天文學家可以通過除了紅移外的其他手段測量星系的距離，從而推測出星系的速度有多少是來自於局域的引力拖曳作用。例如，基於對宇宙膨脹率的精密估計，一個325萬光年外的星系的速度應該是大約70千米每秒。如果從星系紅移得到的速度是60千米每秒，天文學家就可以反過來推測出這個星系周圍的物質集合體給了它10千米每秒的本動速度。與紅移無關的距離測量方法大多數依賴於光的強度與距離平方成反比的定律。也就是說，如果你看到兩個相同的燈塔，並且其中一個的亮度只有另一個的四分之一，那麼你就知道較暗燈塔的距離是另一個的兩倍。在天文學裡，這樣相同的燈塔被稱為標準燭光——無論在宇宙何處發光強度總是相同的天體。這樣的例子包括某些特定類型的爆炸恆星或者脈動恆星，甚至也包括塔利和J·理查德·費希爾（J. Richard Fisher）在1977年首先提出的大質量星系。他們提出的塔利-費希爾關係利用了這樣的一個事實：大質量星系比小星系光度更高且旋轉更快——大質量星系擁有更多的恆星，而且因為引力場更強，它們也必須旋轉得更快才能保持穩定。測量星系的旋轉速度，你就知道了它的本徵光度，再與它的視亮度相比，你就知道了它的距離。
每種標準燭光都有不同的最佳工作範圍。類似造父變星這樣的脈動恆星只有所在星系離銀河系很近時才能被很好地觀測到，所以它們不適用於大尺度的距離測量。塔利-費希爾關係能夠用於許多旋渦星系，但是估算出的距離的誤差最高有20%左右。類似Ia型超新星這樣的爆炸恆星測量出的距離誤差要小一半左右，同時在很大的宇宙距離內都可以被觀測到，但是它們很稀少，在正常大小的星系內大約一個世紀只有一例。
如果可以獲得大量星系的本動速度數據，天文學家就可以繪製大尺度上的星系流。在這種龐大尺度上，星系的流動可以類比於在 「宇宙分水嶺」之間蜿蜒流過的河水，只是決定它們運動的不是地形，而是附近結構的引力。在這些「宇宙地形圖」上，星系像水流一樣流動、在漩渦里盤旋、在池塘里聚集，這些運動間接揭示了宇宙中最大物質聚集體的結構、動力學、起源和未來。
為了在足夠大的尺度上繪製星系流，從而回答關於暗物質和暗能量的問題，我們需要搜集整理大量觀測項目所能得到的最佳數據。在2008年，塔利與里昂大學的埃萊娜·M·庫爾圖瓦（Hélène M. Courtois）以及他們的同事發布了Cosmicflows目錄，他們通過整理多個數據源得到了距銀河系1.3億光年範圍內1800個星系的詳細動力學信息。該團隊在2013年更進一步，發布了Cosmicflows-2目錄，記錄了6.5億光年範圍內的8000個星系的運動。團隊中的一員，來自耶路撒冷希伯來大學的耶胡達·霍夫曼（Yehuda Hoffman），開發了根據Cosmicflows的本動速度數據來精確得到暗物質分布的方法。
隨著目錄的擴大，我們驚訝地發現，海量的數據中隱藏著一個出人意料的模式：一個嶄新的、未曾看到過的宇宙結構的輪廓。在超過4億光年的範圍內，所有星系團都在一個局域的「吸引槽」內一起運動，就像水流在地勢的最低點積蓄一樣。如果不是宇宙的不停膨脹，這些星系會最終聚集成一個緻密的引力束縛結構。這一大群星系共同組成了拉尼亞凱亞超星系團。
繪製拉尼亞凱亞超星系團（圖中藍色結構）：整體來考慮的話，星系的位置和運動或是隨宇宙膨脹而發散的，或是受到引力作用而聚攏。在引力的聚攏作用開始嚴重阻礙宇宙膨脹導致的發散運動的位置，就可以畫下超星系團的邊界。我們在這裡繪出了超過8000個星系的位置，並且用顏色來表示它們的相對運動 （同時考慮了聚攏和發散運動時的速度和軌跡）。暖色調（黃色和粉色）的輪廓線代表星系團快速地聚攏到一起。拉尼亞凱亞的輪廓線用的是冷色調的藍色，勾畫出了星系團聚攏最慢的位置。拉尼亞凱亞橫跨將近5億光年，在這範圍內的星系團如果沒有宇宙膨脹的影響的話，將會聚集成單個引力束縛結構。在拉尼亞凱亞邊界之外我們可以看到沙普利、武仙、英仙-雙魚超星系團以及其他鄰近的超星系團。圖片來源：《環球科學》
到目前為止，對拉尼亞凱亞中星系運動的研究顯示，它們的行為與主流暗物質分布模型的預言完全一致——儘管看不到暗物質，但我們能以較高的精度預測宇宙中這些不可見的物質積聚在何處。此外，不論好壞，拉尼亞凱亞中可見物質和暗物質的總密度表明，宇宙將永遠加速膨脹下去並最終迎來冰冷的死亡，正如研究暗能量的天體物理學家所設想的那樣。
這個結論仍然是暫時性的，測繪星系流的繁重任務仍有很長的路要走。目前，在4億光年內只有20%的星系的本動速度已被測量出來，而且許多標準燭光的距離測量仍然有很大的誤差。儘管如此，這個逐漸浮現的星系地圖讓我們對自己在宇宙盆地和山脈中的棲息地有了新的認知。
我們身處的宇宙環境
讓我們遊覽一下我們新發現的家園拉尼亞凱亞中正在流動和奔涌的部分，從最熟悉的部分——你開始。不論你在讀這篇文章時在地球上運動得是快是慢，你都在隨著我們星球的其他部分一起以大約30千米每秒的速度環繞太陽運轉。太陽自身也在以大約200千米每秒的速度圍繞銀河系中心轉動，而包括銀河系在內的整個本星系群正以超過600千米每秒的速度向著半人馬座方向的一個神秘質量聚集中心疾馳。你或許從未想過，當你只是簡單地閱讀一本雜誌或什麼都沒做時，居然可以運動得如此之快。
跳出銀河系的範圍，我們在拉尼亞凱亞廣闊區域內的旅行從兩個矮星系開始——距離我們「僅」有18~22萬光年遠的大小麥哲倫雲。你可以從地球南半球瞥見麥哲倫雲，但是要獲得最佳觀測效果，你必須在冬天趕赴南極洲。另一個能用裸眼看到的星系是仙女星系，一個巨大的旋渦星系，儘管它即使在非常暗的夜空里看起來也只是一個模糊的斑點。
仙女星系距離我們250萬光年，以大概110千米每秒的本動速度朝我們疾馳而來。在差不多40億年之後，它就會與銀河系迎面撞到一起，兩個星系合并成一個由老年紅色恆星組成，沒什麼特徵的橢圓形球體。在這場宇宙車禍中，我們的太陽系不太可能會受到影響——恆星間的距離是如此之大，沒有哪兩個恆星能貼近到足以發生碰撞。銀河系、仙女星系以及48個其他星系都是本星系群的成員，而這片區域正在經歷塌縮，因為它的引力已經戰勝了宇宙膨脹。
在本星系群之外，大約2500萬光年的範圍內，在我們的地圖中出現了三個顯著的地標。包括我們的銀河系在內，這裡的大部分星系都身處一個名字起得毫無想像力的系統里——本星系牆（Local Sheet）。顧名思義，它很薄——裡面的多數星系都分布在厚度為300萬光年的結構內，它的赤道面被稱作超星系坐標系統。赤道面下面有一段空隙，再下面是一條星系纖維狀結構——獅子支（Leo Spur），還有唧筒和劍魚雲（Antlia and Doradus Clouds）里的星系。而赤道面的上方几乎什麼都沒有。這片空曠區域是本空洞（Local Void）的地盤。
如果只考慮本星系牆內的星系，情況看起來顯得非常平靜。這些星系以宇宙膨脹的速度互相分開，局域相互作用引起的本動速度很小。在本星系牆的下面，唧筒和劍魚雲，還有獅子支中的星系的本動速度也很小。但是它們卻在朝本星系牆高速運動。本空洞很可能是導致這個現象的罪魁禍首。空洞像充氣的氣球一樣擴張，導致物質從低密度區往高密度區移動，從而堆積在空洞的邊界上。按我們現在的理解，本星系牆是本空洞的一面牆，這個空洞正在一步步地膨脹從而把我們推往唧筒和劍魚雲，還有獅子支的方向。
把鏡頭進一步拉遠，我們會邂逅室女星系團，它的星係數目是本星系群的300倍，但都擠在直徑1300萬光年的範圍內。這些星系以700千米每秒的典型速度在星系團內快速穿行，距離星系團外緣2500萬光年內的任何星系都會在100億年內掉落進去成為它的一部分。室女星系團完整的統治範圍，也就是最終會被它俘獲的星系所在的區域，目前半徑達到了3500萬光年。有趣的是，我們的銀河系與它之間的距離是5000萬光年，剛好位於這個俘獲區域的外面。
龐大星系流
室女星系團周圍更大的區域，把我們所在的位置也囊括進去，被稱作本超星系團。幾乎在30年前，被戲稱為「七武士」的一群天文學家發現，不僅銀河系在以幾百千米每秒的速度朝半人馬座運動，整個本超星系團也都在做同樣的運動。他們把拖曳這些星系運動的神秘質量稱為巨引源。在許多方面來說，巨引源並不神秘——宇宙那個方向的物質密度明顯很高，因為以它為中心的1億光年範圍內包含了7個和室女星系團差不多的星系團，其中最大的三個星系團是矩尺星系團、半人馬星系團和長蛇星系團。
根據我們把超星系團作為宇宙分水嶺的構想，它們的邊界是根據星系發散的運動而畫出來的，這麼說來，所謂的本超星系團名不副實。它只是一個更大結構的一部分，也就是拉尼亞凱亞超星系團，後者還包括了其他的大尺度結構，例如孔雀-印第安纖維結構和蛇夫星系團。把拉尼亞凱亞想像成一個城市，我們交通擁擠的市中心就是巨引源區域。正如大部分都市核心一樣，我們很難確定一個精準的中心，它的大概位置是在矩尺星系團和半人馬星系團之間的某處。根據這樣的定位，我們的銀河系就被放到了遠郊，接近拉尼亞凱亞與毗鄰的英仙-雙魚超星系團的交界處。這條邊境線在宇宙尺度下相對很近，因此我們可以通過對它的仔細研究來界定拉尼亞凱亞直徑約5億光年的近圓邊界。總的來說，拉尼亞凱亞的邊界內正常物質和暗物質的總質量相當於大約10億億個太陽。
天文學家在過去的幾十年里也瞥見了一些可能位於拉尼亞凱亞之外的結構的輪廓。在七武士發現巨引源之後，天文學家很快就發現了一些更大的結構。就在巨引源的背後，大約3倍遠的地方，是一個巨大的星系團聚集體——這是局域宇宙中目前所知最密集的結構。因為天文學家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）在20世紀30年代第一個發現了它存在的證據，這個遙遠的巨大結構也被稱為沙普利超星系團。（巧合的是，就像本星系牆一樣，室女星系團和本超星系團的主要部分，以及巨引源和沙普利超星系團都落在超星系赤道面上。想像一下一個由超星系團組成的龐大薄餅，你就會對我們的大尺度局域環境有個直觀的印象。）
那麼，是什麼讓我們的本超星系團的本動速度達到了600千米每秒？在某種程度上，罪魁禍首是巨引源集合體。但是我們必須同時考慮到沙普利超星系團的引力拖曳，雖然它的距離是3倍遠，但是它擁有4倍數量的富星系團。現在，根據Cosmicflows-2——就是揭示了拉尼亞凱亞超星系團的那個星系目錄——故事沒那麼簡單。這個目錄里的8000個星系的本動速度都表明它們在一致地朝向沙普利超星系團運動。這種流動在Cosmicflows-2目錄覆蓋的整個14億光年的範圍內都存在。它是否會在某處停下？我們還不知道。只有利用更大的巡天項目描繪出越來越大的宇宙區域，才能揭示出我們局域宇宙中星系整體壯觀運動背後的最終根源——以及最終的結構。
本文作者
諾姆·I·里伯斯金是德國萊布尼茨天體物理研究所的宇宙學家。他使用超級計算機模擬宇宙演化和星系形成，專註於銀河系、本星系群和環繞我們的矮星系研究。你可以通過@satellitegalaxy關注他的天體物理推特。
R·布倫特·塔利是夏威夷大學的天文學家，他在過去的40年里一直致力於測量星系的距離和繪製它們在空間中的分布和運動。他在1987年與J·理查德·費希爾（J. Richard Fisher）共同發表的近鄰星系地圖仍舊是對我們宇宙近鄰結構分布的最大規模測繪。
本文譯者
郭宏是中國科學院上海天文台研究員、星系分布與演化課題組組長，主要研究方向為宇宙大尺度結構、星系與暗物質關聯和星系形成模型等。
轉載請先聯繫newmedia@huanqiukexue.com。
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