宇宙到底有多大（六）宇宙的极限——遥远的太空

在研究遥远的宇宙之前，科学家必须理解我们周围的情况。正如我们之前所见到的，引力把银河系和本星系群的其它成员，以及室女超星系团的几千个其它星系束缚在一起。几十年来，天文学家一直相信那就是我们置身其中的最大的引力束缚结构体。

但是，2014年发表的一份研究表明，本超星系团只是一个规模更大的、被叫做拉尼亚凯亚（Laniakea，夏威夷地方方言，意思是“无边无际的天空”）的群体中的一部分。尽管室女超星系团的跨度达1亿光年，拉尼亚凯亚的直径却有5亿多光年。

2014年9月，天文学家根据星系的相对速度确认银河系、室女超星系团和其它几个超星系团构成了拉尼亚凯亚（Laniakea）超星系团（图中被圈起来的区域）。拉尼亚凯亚超星系团的展幅为5亿2千万光年，坐拥超过10万个星系成员，总质量高达10的17次方（即1后面跟着17个零）倍太阳质量。（图片来源：R. BRENT TULLY, HELENE COURTOIS, YEHUDA HOFFMAN, AND DANIEL POMAREDE）

 

在地球、甚至是太阳系内部，测量距离不是什么难事，但是，在人造探测器都还无法到达的地方，距离的测量就困难多了。天文学家没办法用卷尺测量地球到另一个星系的距离。他们使用的测量工具是一种天体发出的光。

 

测量宇宙的膨胀

计算遥远的星系与我们之间的距离有两种方法。其中最简单的方法就是利用天体的视亮度。里昂大学的Helene Courtois是定义拉尼亚凯亚超星系团的学者之一，她拿测量60瓦灯泡的距离来打比方。因为你已经知道灯泡的真实亮度，所以你只要测量它看上去有多亮，就能计算出它离你有多远。

星系发出的可见光在传播到地球的过程中总会受到尘埃的遮挡，于是天文学家便测量这些星系在射电波段的辐射强度，由此推算它们在可见光波段发出多少能量。然后，他们再把观测到的亮度与计算得到的实际能量进行比较，来确定这些星系的距离。

另一种测量方法是通过分析星系团里最明亮的星系发出的光来确定星系团成员的运动情况。这个计算的难度要更大一些，但却基于下面这个简单的事实——光能够告诉科学家，一个物体究竟是向我们飞奔过来，还是离我们而去。如果星系朝向地球运动，它发出的光的颜色会偏蓝一些；如果它向着远离地球的方向运动，光的颜色就会偏红。其它星系的引力拉扯或者宇宙的膨胀都有可能引起这样的运动。

如今，我们已经知道宇宙正在膨胀，并且带着星系一起绝尘而去。科学家只要比较同一片天区里大量天体的运动情况，就能分解出不同的运动模式。当天文学家对超星系团的成员星系进行划分时，可见物质和不可见物质（暗物质）的引力作用都要考虑在内。

在发现拉尼亚凯亚超星系团的过程中，Courtois与同事用上面提到的两种方法对8100多个临近星系的距离和运动情况进行研究。他们发现，在某一个区域中，有些星系朝这个方向走，而另一些星系却往另一个方向走。就像山顶上的一颗小石子既可以掉入这边的山谷，也可以滚向另一边的山谷，那个拐点标志着拉尼亚凯亚超星系团的边界。不过，更远处的宇宙又有些什么呢？

 

纤维结构和空洞

在几十年前，天文学家借助前面提到的两种技术分析星系发出的光，开始绘制宇宙的物质结构图。到了20世纪70年代晚期和80年代早期，宇宙结构的图景渐渐浮现出来：星系簇拥在一起，夹在它们之间的是空洞。

80年代晚期，天文学家又注意到我们附近的星系都朝着南天球的一个特定区域运动。这个运动是由引力驱动的，说明那个区域肯定含有大量质量；科学家把它叫做“巨引源”（Great Attractor）。拉尼亚凯亚超星系团里的所有星系正朝着那个地点掉落下去。

当天文学家展开更大规模、覆盖更大面积的天区的巡天观测时，更多发现随之而来。望远镜和照相机的性能还在快速地提升，采光能力更强、灵敏度也更高的探测器让科学家能够看得更远，看到越来越远的过去。

上图展示了邻近宇宙中的12万5千零71个星系如何聚集成团。作为6度视场星系巡天（6 Degree Field Galaxy Survey）观测的组成部分，天文学家制作了这幅图。（图片来源：C. FLUKE/6DF SURVEY）

 

科学家的视线已经穿越半个宇宙，看到那里的大尺度结构，确定那里的星系如何分布。他们看见星系与其宿主星系团“结成团块”，由星系串联形成的星系链把这些团块连接起来，夹在它们之间的空间一片空白。这就是我们所说的“宇宙网”。这个景象在宇宙各处不断重复，使得从大尺度看过去，宇宙中没有哪一处地点比其它任何地点更加重要。

但是，宇宙中还有更多物质是望远镜看不到的。星系链的结构基础是暗物质。暗物质是一种神秘物质，我们只能通过它与星系、恒星的引力作用来推断它的存在。在星系团里，它遍布在星系周围，也是它维系着连接超星系团的星系链或者说纤维结构。宇宙中暗物质的含量比普通物质高出5至6倍。

由于天文学家看不见暗物质，他们也就无法看见宇宙结构的主体。为了理解它的模样，科学家借助复杂的计算机数值模拟来构建宇宙，把整个宇宙演化历史压缩至几周时间。他们大略知道现在宇宙中有多少普通物质，有多少暗物质。他们把这个信息与物理定律一起编入计算机模型。

2009年，由五个国家的天文学家组成的研究团队进行千禧（Millennium）-II计算机数值模拟，模拟宇宙在一个边长为四亿光年的立方体积内的演化。研究者跟踪了超过100亿颗“暗物质粒子”的演化，每颗粒子的质量为690万倍太阳质量。上面四幅图（从A至D）展示在一个边长为5千万光年的视场中暗物质粒子在114亿年的演化过程。（图片来源：BOYLAN-KOLCHIN, ET AL.(2009)）

 

“当数值模拟结束，虚拟宇宙演化成形，我们就把它与我们观测到的宇宙进行比较，”Courtois说。计算机模型揭示出的结构要比我们实际观测到的多，早在几十亿年前，宇宙网就已经形成了。

 

明亮的指示牌

即使最明亮的星系也无法与正在积极吞噬物质的超大质量黑洞争辉。虽然在每个大质量星系的内部都潜伏着这样一个饕餮巨兽，但它们之中只有一小部分正在吞食物质，天文学家把它们归为“活跃类”。类星体就是活动星系核的一种。

上面这幅3C348的照片是用哈勃空间望远镜在光学波段拍摄的照片与甚大阵（Very Large Array，简称VLA）在射电波段的观测数据合成的。“哈勃”负责拍摄位于中心的黄色椭圆星系，VLA的观测则揭示了一个带有高能等离子体喷流的活动星系核。这个宽度为150万光的喷流源自于一个拥有25亿倍太阳质量的超大质量黑洞。天文学家利用类星体（另一种活动星系核）来研究遥远的宇宙。（图片来源：NASA/ESA/S. BAUM AND C. O’DEA(RIT)/RPERLEY AND W. OOTTON(NRAO/AUI/NSF)/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)）

 

黑洞吃掉的物质包括靠得太近的恒星或者气体云。在引力的牵引下，物质流向大质量黑洞，就像水旋入下水道一样，在黑洞周围形成吸积盘。物质因摩擦生热而发光。这些光在很远处都能看到——实际上，这个距离是如此远，以至于离我们最近的类星体发出的光需要走6亿年才能到达地球。

天文学家已经找到散落在宇宙各处的类星体。最远的一个早在宇宙大爆炸后7亿5千万年就已出现。它发出的光要走130多亿年才能到达地球。

类星体发出的光是研究遥远宇宙的万能工具。科学家能够像描绘星系的空间分布那样，绘制类星体的分布，由此来绘出纤维结构和空洞。此外，类星体还像手电筒那样，照亮了宿主星系周围的气体、星系际气体、甚至是沿着附近的纤维结构流入的气体。

加利福尼亚州立大学圣克鲁兹分校的天文学家J. Xavier Prochaska与同事一起对大约20颗遥远的类星体进行了研究，得到了两个大发现。首先，他们看到一颗类星体被一大群氢团团包围，规模远远超出星系的正常尺寸。他们推测这团气体是沿类星体所在的纤维结构分布着。这颗类星体发出的光传到地球时已经花了近110亿年。

第二个发现是，学者们最近发现了四个彼此挨得很近，并被一大团氢云包裹着的类星体。“它会演化成类似于我们今天所见到的室女星系团那样的结构，”Prochaska说。

在这两个发现中，天文学家们看到的光是荧光。Prochaska说，“类星体在一系列能量段发光，这些光照射到星系上，星系实际上又把光给反射出去。”Prochaska认为，未来5至10年新上线的观测工具能让天文学家找到隐藏在纤维结构和正在形成的星系团中的好几百颗类星体。

 

前往宇宙早期

天文学家越往远处看，他们看到的结构就越少。这是因为他们看见了早期的宇宙，我们今天看见的结构——例如旋涡星系，以及由数千个星系构成的星系团——在当时还不存在。宇宙并非生来就有如此复杂的结构。正好相反，宇宙在大爆炸后曾经既致密又炽热，电子、质子和光子频繁碰撞，充斥在整个宇宙空间。自那以后，宇宙已经膨胀了138亿2千万年。

随着膨胀，宇宙开始降温，直到它的温度降低到3000开时，每个质子捕获身边的一个电子形成一个呈电中性的氢原子。虽然还有零星几个粒子四处游荡，“弹球”（粒子相撞）游戏已经结束了。

与此同时，光子也获得了解放，可以在宇宙空间中自由飞行。自那时起，它们便沿着时空结构传播开去。由于宇宙的膨胀拉长了光子的波长，这些光子成为了我们在今天看到的、遍布全天的微波背景辐射（简称CMB）。

无论从哪个方向看，CMB都几近相同（即各向同性）。它告诉天文学家，在大爆炸后38万年时宇宙的模样——几乎毫无结构特征、由氢和氦构成的粒子汤。

CMB自身温度的微小起伏反映出不同区域的物质密度存在微小的差异。最终，密度较高的区域形成星系、甚至星系团，密度较低的区域则空无一物。

“理解简单的宇宙如何演化成有结构的复杂宇宙，是天文学研究中缺少的重要一块，”洛杉矶市加利福尼亚州立大学的Steve Furlanetto说。

这个转变发生在天文学家所说的黑暗时期。在那个时期，物质的密度还不够高，不足以形成恒星，照亮宇宙。当第一批恒星出生并汇聚形成星系，宇宙开始演化成我们今天所见的模样。但是，第一批星系比银河系小了100万倍，而且非常遥远，望远镜无法看见它们，Furlanetto说。尽管如此，天文学家还是能够通过其对周围物质的影响来搜寻这第一批天体。

黑暗时期开始于CMB之后，结束于类星体与星系形成（大爆炸后10亿年）之前。这个中间阶段的搜寻工作全都围绕着宇宙中最多的元素——氢来进行。随着恒星和星系开始发光，它们发出高能辐射。辐射的能量很强大，足以剥离掉氢原子的电子，使之成为氢离子。

这些光源继续发射能量，“一点点地，第一批光源在宇宙空间中蚀刻出由离子物质构成的孔洞，”荷兰开普坦天文研究所的Saleem Zaroubi说。随着越来越多的恒星形成、发光，这些孔洞的面积不断扩大，个数不断增多，直到恒星周围所有的中性氢都被电离了。

天文学家认为，当第一批恒星和星系照亮宇宙，把氢原子（由一个质子和一个电子组成）电离成氢离子（只有一个质子，没有电子），由此开启了持续几亿年时间的再电离时期。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

 

找到这个转变时期的关键方法是1944年人们发现中性氢在21厘米处发出射电辐射。然而，氢离子不会发射这种辐射。在宇宙早期，中性氢遍布各处，研究人员预计能够观测到微弱的射电辐射。这使得距离我们较近的区域没有21厘米信号，更远的区域则有较强的辐射。

这个信号的搜寻工作——寻找天文学家所谓的“再电离时期”存在的证据——刚刚展开，目前还没有任何仪器探测到这个微弱的信号。有能力探测这个辐射的射电望远镜最近已经开始工作，另一个则还要等上几年才能开工。

准备测绘宇宙再电离时期的科学家指出，从电中性的、平淡无奇的宇宙向被电离的、有团块结构的宇宙的转变是一个漫长的过程——可能持续几亿年时间。它是宇宙历史中一个重要的缺失部分。Zaroubi对此表示同意，说：“这对于理解宇宙从开始到现在的演化历程是非常重要的一步。”

天文学家对大尺度上的宇宙结构，以及宇宙的早期图景已经有了非常多的了解。然而，不走运的是，在谱写宇宙历史时，他们仍然缺少了一个重要的篇章。

像Zaroubi、Furlanetto这样研究再电离时期的科学家们相信，未来几十年的观测将向我们揭示出遥远的射电辐射，告诉我们宇宙是如何从遍布中性氢的状态演化成为充满复杂结构的样子的，如何形成星系、恒星和我们称之为家的行星的。

(全文完)