我们都在这片宇宙"羽毛"的渺小一角:超星系团要大得多

　　文章来源：环球科学ScientificAmerican微信公众号

　　天文学家发现，银河系身处的超星系团要比过去认为的还要大得多。而这一发现只是重新绘制宇宙新地图的第一步。

　　想象一下访问一个遥远的星系，然后在寄给家人的明信片上填写收件地址。你可能先写下房子所在的街道和城市，然后是所在的行星——太阳的第三颗行星地球。接下来，地址中可以列上太阳的位置在银河系的猎户臂上，这是星系边缘的一段旋臂。紧接着是银河系在本星系群（包含超过50个近邻星系，覆盖了大约700万光年空间范围）中的位置。相应地，本星系群也位于室女星系团的外围，而中心距离地球5000万光年的室女星系团拥有超过1000个星系，但也只是本超星系团的一小部分。横跨超过1亿光年的本超星系团由数百个星系群组成，这样的超星系团一直被认为是宇宙大尺度结构最大的组成部分，构成了巨大的纤维状和墙状星系结构，共同围绕在几乎没有任何星系存在的空洞周围。

　　直到不久前，本超星系团可能就是你的宇宙地址的结尾了。天文学家认为，在这个尺度以上再做说明就毫无意义了，因为在更大的尺度上，由超星系团交织成的界限分明的墙状结构与空洞就会让位于没有可分辨特征的均匀宇宙。但是，2014年由本文作者塔利所领导的团队发现，我们是一个极为庞大的结构的一部分，其巨大程度彻底颠覆了之前的观点。事实证明，本超星系团也只是一个更加巨大的超星系团的一叶，而那个超星系团包含了10万个大星系，横跨4亿多光年。发现这一庞大超星系团的团队把它命名为“拉尼亚凯亚” ——在夏威夷语里是“无尽的天堂”的意思，来向早期利用恒星定位，在太平洋中航行的波利尼西亚人致敬。银河系的位置远离拉尼亚凯亚的中心，在它的最边缘地带。

　　横贯空间的星系流勾勒出了拉尼亚凯亚超星系团的轮廓。它包含了我们的银河系以及其他10万个大星系。图片来自《环球科学》，由NASA、ESA和哈勃遗产团队提供。

　　拉尼亚凯亚远不止是我们宇宙地址中新的一行。通过研究这个庞大结构的构造和动力学，我们可以更多地了解宇宙的过去和未来。绘制成员星系的分布以及它们的运动模式可以帮助我们更好地理解星系是如何形成和增长的，同时可以帮助我们更多地了解暗物质的本质，天文学家认为，宇宙80%的物质都是这种不可见的成分构成的。

　　拉尼亚凯亚也能够帮助我们解开暗能量之谜，这种在1998年发现的强大力量驱动着宇宙加速膨胀，并因此会决定宇宙的最终命运。而超星系团也可能不是我们宇宙地址的最后一行——事实上，它还可能是尚未被发现的更大结构的一部分。

　　星系团，如本图中的后发星系团，是宇宙中最大结构的基石。位于3亿多光年之外的后发星系团拥有大约1000个大星系，但它只是一个更大结构的一部分。这个结构叫作后发超星系团，位于拉尼亚凯亚的边界外。图片来源：《环球科学》

　　星系的流动

　　发现拉尼亚凯亚并非该团队本来的目的。他们是在努力解答关于宇宙本质的一些长期悬而未决的基本问题时，碰巧得到了这一发现。

　　近一个世纪之前，科学家就知道宇宙在膨胀，从而拉动星系远离彼此，正如膨胀气球表面的圆点互相分开一样。然而在最近十几年他们又认识到，如果星系只受宇宙膨胀影响的话，大多数星系相互远离的速度都应该比实际观测结果更快。还有一个较为局域性的力量也在发挥作用——来自周围其他物质聚集体的引力拖曳能够抵消星系随宇宙膨胀的运动。星系实际的运动速度是源于宇宙膨胀的星系运动和源于星系局域环境的运动的总和，而后者被称为本动速度。

　　把我们能看到的所有星系里的恒星、所有的气体和其他我们知道的普通物质都加到一起，产生的引力还是不足以解释星系的本动速度，差了一个数量级。出于无知，我们天文学家称呼这些缺少的部分为“暗物质”。我们相信，暗物质粒子和宇宙其他成分只通过引力相互作用，不会通过其他力（如电磁力）作用，并且暗物质补足了要解释观测到的星系速度所“缺少”的引力。科学家认为，星系位于暗物质池塘的深处——暗物质像隐形的脚手架，星系围绕着它们不断聚集成长。

　　塔利团队和其他研究者意识到，创建星系流和本动速度的地图能够揭示暗物质在宇宙里的隐形分布，从而通过它们对星系运动的引力作用来发现这种神秘物质的最大集合体。如果星系的流动方向都指向一个特定的点，我们就可以假设这些星系都受到一个高物质密度区域的引力作用，从而被拖向了这个点。

　　他们同样意识到，弄清楚宇宙中所有形式物质的密度和分布，有助于解决另一个更深奥的谜题：宇宙不仅在膨胀，而且这种膨胀还在不断加速。这种行为就像抛向空中的石头向天空直冲而去并不落回地面一样违背常理。驱动这种奇怪现象的力量被叫作“暗能量”，它对宇宙的未来有着深远的影响。加速膨胀意味着宇宙最终会经历一个冷却的死亡过程——大部分的星系会以不断加快的速度远离彼此，直到每个星系中的每颗恒星都死去，所有物质都冷却到绝对零度，最终的黑暗就会降临宇宙。但想要明确知道宇宙最终的结局，不仅需要确定暗能量到底是什么，还需要知道宇宙中有多少物质：如果物质密度足够高，在物质的自引力作用下，我们的宇宙在遥远未来就能够把膨胀反转为塌缩。或者，宇宙物质密度恰好在一个平衡点上，能够实现一个不断减缓但是无限持续的膨胀过程。

　　为了测量宇宙普通物质和暗物质密度，塔利团队开始绘制星系流，这最终引领他们发现了拉尼亚凯亚。

　　描绘星系流需要同时知道星系源于宇宙膨胀的运动和源于附近物质引力的运动。作为第一步，天文学家测量了星系的红移。红移指的是星系随着宇宙膨胀退行时，它所发出的光的波长也被拉长了。汽笛朝我们运动时比远离时声调更高，因为它所发出的声波频率被压缩到了更高的频率和更短的波长。同样地，远离我们的星系所发出的光波也会偏移到更低的频率和更长、更红的波长——它们退行得越快，红移也越大。因此，天文学家可以利用一个星系的红移测量其整体运动速度，并粗略地估计它的距离。

　　天文学家可以通过除了红移外的其他手段测量星系的距离，从而推测出星系的速度有多少是来自于局域的引力拖曳作用。例如，基于对宇宙膨胀率的精密估计，一个325万光年外的星系的速度应该是大约70千米每秒。如果从星系红移得到的速度是60千米每秒，天文学家就可以反过来推测出这个星系周围的物质集合体给了它10千米每秒的本动速度。与红移无关的距离测量方法大多数依赖于光的强度与距离平方成反比的定律。也就是说，如果你看到两个相同的灯塔，并且其中一个的亮度只有另一个的四分之一，那么你就知道较暗灯塔的距离是另一个的两倍。在天文学里，这样相同的灯塔被称为标准烛光——无论在宇宙何处发光强度总是相同的天体。这样的例子包括某些特定类型的爆炸恒星或者脉动恒星，甚至也包括塔利和J·理查德·费希尔（J。 Richard Fisher）在1977年首先提出的大质量星系。他们提出的塔利-费希尔关系利用了这样的一个事实：大质量星系比小星系光度更高且旋转更快——大质量星系拥有更多的恒星，而且因为引力场更强，它们也必须旋转得更快才能保持稳定。测量星系的旋转速度，你就知道了它的本征光度，再与它的视亮度相比，你就知道了它的距离。

　　每种标准烛光都有不同的最佳工作范围。类似造父变星这样的脉动恒星只有所在星系离银河系很近时才能被很好地观测到，所以它们不适用于大尺度的距离测量。塔利-费希尔关系能够用于许多旋涡星系，但是估算出的距离的误差最高有20%左右。类似Ia型超新星这样的爆炸恒星测量出的距离误差要小一半左右，同时在很大的宇宙距离内都可以被观测到，但是它们很稀少，在正常大小的星系内大约一个世纪只有一例。

　　如果可以获得大量星系的本动速度数据，天文学家就可以绘制大尺度上的星系流。在这种庞大尺度上，星系的流动可以类比于在 “宇宙分水岭”之间蜿蜒流过的河水，只是决定它们运动的不是地形，而是附近结构的引力。在这些“宇宙地形图”上，星系像水流一样流动、在漩涡里盘旋、在池塘里聚集，这些运动间接揭示了宇宙中最大物质聚集体的结构、动力学、起源和未来。

　　为了在足够大的尺度上绘制星系流，从而回答关于暗物质和暗能量的问题，我们需要搜集整理大量观测项目所能得到的最佳数据。在2008年，塔利与里昂大学的埃莱娜·M·库尔图瓦（Hélène M。 Courtois）以及他们的同事发布了Cos