宏大的“星系长城”

茫茫宇宙无边无垠，耿耿星辰变化万千。人们自然要问：宇宙到底有多大?它的结构和运动如何?这是人类至今未揭开的谜。

在16～18世纪全球大探险的年代，探险家们深入辽阔的海洋和未知的新大陆，逐渐知道了关于海洋和陆地的更多知识，最终绘制出了详尽准确的世界地图，大大加快了征服地球的进程。今天，人们探索的前沿已远远超出海洋的浪头。像我们的先人那样，我们必须再一次绘制出未探明的大片领域，那就是宇宙。绘制宇宙地图已经成为现代天文学最大的挑战之一。  

长达数亿光年的“星系长城”

今天，我们测知太阳系的直径约有120亿千米，而银河系的直径有8．15万光年。银河系中像太阳这样的恒星约有2000亿个。

银河系已经够大的了，可是，在宇宙中，像银河系这样的星系，仅观测所及的数量多达千百亿个，我们叫它河外星系。星系有成团的倾向，如银河系和仙女座星系等40多个星系组成本星系群；一般的星系集团叫星系团。星系群和星系团又结合成超星系团。如本星系群属于以室女座星系团为中心的本超星系团。 

超星系团还不是最大的群体，在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的引力源，它牵引着本超星系团，这个“大牵引者”可能是许多超星系团组成的超星系团集团。除星系外，宇宙中还有星云、类星体、暗物质和黑洞等。我们现在探测到的星系、星云或类星体，离我们最远的，已远远超过150亿光年的距离，但那里仍然不是宇宙的尽头。

在这样宏大的宇宙中，我们必须知道这些星系的分布规律，否则绘制宇宙地图就无从谈起。

上世纪80年代，天文学家玛格丽特·盖勒和约翰·休希拉等人在观测宇宙中星系的分布图景时，他们原来想像的是，他们将看到星系和星系团均匀地分布在天空，就像少量的葡萄干均匀地分布在葡萄干面包里那样，因为那时的科学家普遍相信我们的宇宙是一个纹理匀称的宇宙。

但实际上，这两位天文学家被他们看到的奇特景象惊呆了!他们看到宇宙中的天体不是均匀分布的，而是各超星系团间形成了海绵状的泡沫结构，泡沫之间的星系聚集成像长城那样的条带状，而星系之间的区域却是空无一物的天区——它们被广阔的空旷地带和巨大的隧洞所分隔开!他们还观测到一个在空间蜿蜒延伸数亿光年的星系“巨壁”。因为这种呈带状的星系“巨壁”的结构如同长城一般，长7．6亿光年、宽2亿光年、厚0．15亿光年，他们便取了一个“星系长城”的雅号。

宇宙有一个等级复杂的结构

盖勒及其合作者们远不是注意到宇宙中大尺度结构的第一批人。早在上世纪50年代，法国天文学家沃库勒就发起了一场关于他建议的星系和星系团属于更大的天体集团“超星系”(现在称为超星系团)的大争论。当时，大多数天文学家相信星系团是可能的最大的天体集团。他们认为，引力理论，如爱因斯坦广义相对论所表达的形式，不利于更大天体集团的形成，扩展得更大的结构只能通过引力松散地联系在一起，宇宙的膨胀将把它们拉开。因此，这种结构的寿命只能是短暂的，今天的宇宙中不会存在这样大的结构。

但经过多年的观测资料积累，国际天文界渐渐接受了宇宙中存在着“星系团的集团”这个事实。我们的本星系群被证明是一个叫做本超星系团的一部分，该超星系团在空间伸展1亿光年，室女座星系团位于其中心。人们还发现了许多其他超星系团，带着它们串起来的“念珠”，交叉在宇宙中。

最新的观测再次证实了“星系长城”的存在。一项名为“斯隆数字天空观测计划”的项目(其目标是利用新墨西哥州阿帕奇角天文台的大型望远镜，绘制出横跨四分之一天空的一百多万个星系的图谱)发现了迄今太空中最宏伟的结构——一道长达13．7亿光年的“星系长城”，13．7亿光年的长度是个什么概念呢?在理论上我们能够看到的整个宇宙的大小恰好在137亿光年左右，这就是说，这条“星系长城”绵延达整个宇宙的1／10这次的发现使盖勒等人发现的“星系长城”顿时变成黯然失色的矮子。

    正如一个成长的儿童逐渐明白了较大单元的人类组织——家庭、邻里、城市等等——天文学家们在过去几十年间逐步认识到星空的等级式安排。今天，大多数天文学家已经接受了下列事实：所有星系并非均匀地分布在宇宙空间，宇宙有一个等级复杂的结构，有点像肥皂泡一般，在泡的中间是广阔的真空空间，叫做“宇宙空洞”，而在泡的壁上分布着各个星系。描述这些结构的名词如“纤维”、“气泡”、“薄片”及“空洞”等，已成为天文学家经常使用的词汇了，他们不再争论宇宙是否有大尺度结构，而是在寻求理解这些结构的来源和性质。

结构成因探讨

根据现在比较公认的理论，宇宙是由大爆炸产生的，即从“无”逐渐扩大。大约在137亿年前，我们的宇宙刚刚诞生，是一个温度极高、压力和物质密度极大的混沌火球(不妨叫它“宇宙蛋”)。所谓物质，只不过是一些光子而已，然后逐渐形成各种基本粒子，成为现在各种物质的构成材料。巨大的压力使宇宙急剧地膨胀(即大爆炸)，宇宙温度则因膨胀而逐渐降低，物质凝聚成一团团星系云，星系云又一步步分裂，凝聚成一个个恒星，恒星周围的剩余物质又逐渐凝聚成行星和卫星。这些天体不是分散的，许多恒星聚集成星系，星系又聚集成星系群，进而是星系团、超星系团，还有更大的群体。这些群体也不是均匀分布的，有些区域非常密集，形成“星系长城”，有些区域非常稀少，形成“宇宙空洞”。宇宙天体可能就是这样一种“泡沫结构”。

为了进一步分析“星系长城”的形成原因，科学家们提出了三种宇宙结构形成的模型。三种模型的不同之处，在于它们对以下问题的答案：谁先出现，是星系还是更大的结构?上世纪70年代初期，前苏联科学家泽多维奇提出了“薄饼模型”。薄饼模型是自上而下的理论，它支持下列观点大结构，如薄饼和气泡是先产生的，然后这些大结构裂开，成为超星系团、星系团，最后出现星系。特别是，在泽多维奇的理论中，早期宇宙内充满了大而平坦的物质扁块——“薄饼”，它们最终碎裂为较小的断片，这些断片再演化成星系。泽多维奇的模型对为什么星系排列成长串和薄片说明得很好：这些结构是原始“薄饼”的遗物。

第二种模型叫做等级式成团模型。在倡议者中，有美国普林斯顿大学的天体物理学家皮伯斯。在这个自下而上的模型中，从气云凝聚而成的星系首先在原初宇宙中形成。随着宇宙的发展，许多这样的星系互相接近到足以彼此发生引力拉曳。很快星系群互相接近，形成星系团，然后超星系团出现了。就像冬天的风把雪刮成雪堆，同时也使有些地方没有了雪一样，在空间形成了空洞，那里的物质被引力吸走了。

第三种模型我们称之为分形结构。分形是自相似的物体，也就是说，在所有观测的尺度，它们看上去是一样的。它们和俄罗斯的彩色套娃一样，一个套在另一个里面。按照分形接近，结构的多层次，从星系到星系团到超星系团，是同时产生的。超星系团的形成过程明显地与星系的形成过程一样——只不过是在较大的尺度上罢了。

宇宙的整体形状又是什么?

宇宙自从大爆炸之后，就一直在不断膨胀，有许多证据表明，宇宙还在继续膨胀。目前我们探测到的最远天体，已超过120亿光年，但那里仍然不是宇宙的尽头，宇宙似乎有无限的空间。不过，多数科学家趋向于认为，“宇宙有限，但无尽头”。因为如果宇宙确实是由大爆炸从“无”膨胀起来的，它不可能是无限的，只能是一个有限的三维空间，就像膨胀的气球总有一定的体积，威力巨大的氢弹爆炸总有一个可算出的影响范围一样。但是，宇宙确实没有尽头，我们无法说明哪里是宇宙的天涯海角，也找不到宇宙的边缘。

这怎么理解呢?让我们先来看看地球的情形。从地球上的任何一点一直向前走，我们找不到任何地球的边缘，但最后可以回到原来的出发点。这说明地球没有尽头，但二维空间的地球表面却是有限的。以此类推到三维空间的宇宙，不管从上下、左右、前后哪个方向前进，我们找不到宇宙的任何边缘，但可以回到原来的出发点。这说明宇宙是有限的，但没有尽头。当然，还没有人从宇宙中一点出发，又回到了原来的地方。这就只能靠未来的科学技术去验证了。

根据“有限，但无尽头”的理论，宇宙是个什么形状呢?最简单、最容易想像的形状是球形，其次是轮胎形，或叫甜面包圈形、环形；再就是一个瓶嘴弯过来插在瓶身上的形状，即克莱因瓶形。目前科学家的探讨认为，宇宙的形状可能是这三种形状之一。当然，宇宙的实际形状也可能是与以上三种形状截然不同的形状。

宇宙到底是什么形状，这要靠未来的科学技术去揭晓。不过有一点是清楚的，宇宙的形状只能从理论上去确定，因为我们不可能跑到宇宙之外去观测宇宙。

宇宙今后的发展有两种可能，即继续膨胀下去或到一定的时候转而收缩。不管是哪种发展，都将走向死亡，但科学家们也不知道宇宙还有多少寿命，应该会是一个很大的数字，或许是亿亿亿年吧!