宇宙到底有多大（六）宇宙的極限——遙遠的太空

在研究遙遠的宇宙之前，科學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，以及室女超星系團的幾千個其它星系束縛在一起。幾十年來，天文學家一直相信那就是我們置身其中的最大的引力束縛結構體。

但是，2014年發表的一份研究表明，本超星系團只是一個規模更大的、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。儘管室女超星系團的跨度達1億光年，拉尼亞凱亞的直徑卻有5億多光年。

2014年9月，天文學家根據星系的相對速度確認銀河系、室女超星系團和其它幾個超星系團構成了拉尼亞凱亞（Laniakea）超星系團（圖中被圈起來的區域）。拉尼亞凱亞超星系團的展幅為5億2千萬光年，坐擁超過10萬個星系成員，總質量高達10的17次方（即1後面跟著17個零）倍太陽質量。（圖片來源：R. BRENT TULLY, HELENE COURTOIS, YEHUDA HOFFMAN, AND DANIEL POMAREDE）

在地球、甚至是太陽系內部，測量距離不是什麼難事，但是，在人造探測器都還無法到達的地方，距離的測量就困難多了。天文學家沒辦法用捲尺測量地球到另一個星系的距離。他們使用的測量工具是一種天體發出的光。

測量宇宙的膨脹

計算遙遠的星系與我們之間的距離有兩種方法。其中最簡單的方法就是利用天體的視亮度。里昂大學的Helene Courtois是定義拉尼亞凱亞超星系團的學者之一，她拿測量60瓦燈泡的距離來打比方。因為你已經知道燈泡的真實亮度，所以你只要測量它看上去有多亮，就能計算出它離你有多遠。

星系發出的可見光在傳播到地球的過程中總會受到塵埃的遮擋，於是天文學家便測量這些星系在射電波段的輻射強度，由此推算它們在可見光波段發出多少能量。然後，他們再把觀測到的亮度與計算得到的實際能量進行比較，來確定這些星系的距離。

另一種測量方法是通過分析星系團里最明亮的星系發出的光來確定星系團成員的運動情況。這個計算的難度要更大一些，但卻基於下面這個簡單的事實——光能夠告訴科學家，一個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動，它發出的光的顏色會偏藍一些；如果它向著遠離地球的方向運動，光的顏色就會偏紅。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動。

如今，我們已經知道宇宙正在膨脹，並且帶著星系一起絕塵而去。科學家只要比較同一片天區里大量天體的運動情況，就能分解出不同的運動模式。當天文學家對超星系團的成員星系進行劃分時，可見物質和不可見物質（暗物質）的引力作用都要考慮在內。

在發現拉尼亞凱亞超星系團的過程中，Courtois與同事用上面提到的兩種方法對8100多個臨近星系的距離和運動情況進行研究。他們發現，在某一個區域中，有些星系朝這個方向走，而另一些星系卻往另一個方向走。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，那個拐點標誌著拉尼亞凱亞超星系團的邊界。不過，更遠處的宇宙又有些什麼呢？

纖維結構和空洞

在幾十年前，天文學家藉助前面提到的兩種技術分析星系發出的光，開始繪製宇宙的物質結構圖。到了20世紀70年代晚期和80年代早期，宇宙結構的圖景漸漸浮現出來：星系簇擁在一起，夾在它們之間的是空洞。

80年代晚期，天文學家又注意到我們附近的星系都朝著南天球的一個特定區域運動。這個運動是由引力驅動的，說明那個區域肯定含有大量質量；科學家把它叫做「巨引源」（Great Attractor）。拉尼亞凱亞超星系團里的所有星系正朝著那個地點掉落下去。

當天文學家展開更大規模、覆蓋更大面積的天區的巡天觀測時，更多發現隨之而來。望遠鏡和照相機的性能還在快速地提升，採光能力更強、靈敏度也更高的探測器讓科學家能夠看得更遠，看到越來越遠的過去。

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

科學家的視線已經穿越半個宇宙，看到那裡的大尺度結構，確定那裡的星系如何分布。他們看見星系與其宿主星系團「結成團塊」，由星系串聯形成的星系鏈把這些團塊連接起來，夾在它們之間的空間一片空白。這就是我們所說的「宇宙網」。這個景象在宇宙各處不斷重複，使得從大尺度看過去，宇宙中沒有哪一處地點比其它任何地點更加重要。

但是，宇宙中還有更多物質是望遠鏡看不到的。星系鏈的結構基礎是暗物質。暗物質是一種神秘物質，我們只能通過它與星系、恆星的引力作用來推斷它的存在。在星系團里，它遍布在星系周圍，也是它維繫著連接超星系團的星系鏈或者說纖維結構。宇宙中暗物質的含量比普通物質高出5至6倍。

由於天文學家看不見暗物質，他們也就無法看見宇宙結構的主體。為了理解它的模樣，科學家藉助複雜的計算機數值模擬來構建宇宙，把整個宇宙演化歷史壓縮至幾周時間。他們大略知道現在宇宙中有多少普通物質，有多少暗物質。他們把這個信息與物理定律一起編入計算機模型。

2009年，由五個國家的天文學家組成的研究團隊進行千禧（Millennium）-II計算機數值模擬，模擬宇宙在一個邊長為四億光年的立方體積內的演化。研究者跟蹤了超過100億顆「暗物質粒子」的演化，每顆粒子的質量為690萬倍太陽質量。上面四幅圖（從A至D）展示在一個邊長為5千萬光年的視場中暗物質粒子在114億年的演化過程。（圖片來源：BOYLAN-KOLCHIN, ET AL.(2009)）

「當數值模擬結束，虛擬宇宙演化成形，我們就把它與我們觀測到的宇宙進行比較，」Courtois說。計算機模型揭示出的結構要比我們實際觀測到的多，早在幾十億年前，宇宙網就已經形成了。

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的超大質量黑洞爭輝。雖然在每個大質量星系的內部都潛伏著這樣一個饕餮巨獸，但它們之中只有一小部分正在吞食物質，天文學家把它們歸為「活躍類」。類星體就是活動星系核的一種。

上面這幅3C348的照片是用哈勃空間望遠鏡在光學波段拍攝的照片與甚大陣（Very Large Array，簡稱VLA）在射電波段的觀測數據合成的。「哈勃」負責拍攝位於中心的黃色橢圓星系，VLA的觀測則揭示了一個帶有高能等離子體噴流的活動星系核。這個寬度為150萬光的噴流源自於一個擁有25億倍太陽質量的超大質量黑洞。天文學家利用類星體（另一種活動星系核）來研究遙遠的宇宙。（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)）

黑洞吃掉的物質包括靠得太近的恆星或者氣體雲。在引力的牽引下，物質流向大質量黑洞，就像水旋入下水道一樣，在黑洞周圍形成吸積盤。物質因摩擦生熱而發光。這些光在很遠處都能看到——實際上，這個距離是如此遠，以至於離我們最近的類星體發出的光需要走6億年才能到達地球。

天文學家已經找到散落在宇宙各處的類星體。最遠的一個早在宇宙大爆炸後7億5千萬年就已出現。它發出的光要走130多億年才能到達地球。

類星體發出的光是研究遙遠宇宙的萬能工具。科學家能夠像描繪星系的空間分布那樣，繪製類星體的分布，由此來繪出纖維結構和空洞。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構流入的氣體。

加利福尼亞州立大學聖克魯茲分校的天文學家J. Xavier Prochaska與同事一起對大約20顆遙遠的類星體進行了研究，得到了兩個大發現。首先，他們看到一顆類星體被一大群氫團團包圍，規模遠遠超出星系的正常尺寸。他們推測這團氣體是沿類星體所在的纖維結構分布著。這顆類星體發出的光傳到地球時已經花了近110億年。

第二個發現是，學者們最近發現了四個彼此挨得很近，並被一大團氫雲包裹著的類星體。「它會演化成類似於我們今天所見到的室女星系團那樣的結構，」Prochaska說。

在這兩個發現中，天文學家們看到的光是熒光。Prochaska說，「類星體在一系列能量段發光，這些光照射到星繫上，星系實際上又把光給反射出去。」Prochaska認為，未來5至10年新上線的觀測工具能讓天文學家找到隱藏在纖維結構和正在形成的星系團中的好幾百顆類星體。

前往宇宙早期

天文學家越往遠處看，他們看到的結構就越少。這是因為他們看見了早期的宇宙，我們今天看見的結構——例如旋渦星系，以及由數千個星系構成的星系團——在當時還不存在。宇宙並非生來就有如此複雜的結構。正好相反，宇宙在大爆炸後曾經既緻密又熾熱，電子、質子和光子頻繁碰撞，充斥在整個宇宙空間。自那以後，宇宙已經膨脹了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，每個質子捕獲身邊的一個電子形成一個呈電中性的氫原子。雖然還有零星幾個粒子四處遊盪，「彈球」（粒子相撞）遊戲已經結束了。

與此同時，光子也獲得了解放，可以在宇宙空間中自由飛行。自那時起，它們便沿著時空結構傳播開去。由於宇宙的膨脹拉長了光子的波長，這些光子成為了我們在今天看到的、遍布全天的微波背景輻射（簡稱CMB）。

無論從哪個方向看，CMB都幾近相同（即各向同性）。它告訴天文學家，在大爆炸後38萬年時宇宙的模樣——幾乎毫無結構特徵、由氫和氦構成的粒子湯。

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

「理解簡單的宇宙如何演化成有結構的複雜宇宙，是天文學研究中缺少的重要一塊，」洛杉磯市加利福尼亞州立大學的Steve Furlanetto說。

這個轉變發生在天文學家所說的黑暗時期。在那個時期，物質的密度還不夠高，不足以形成恆星，照亮宇宙。當第一批恆星出生並匯聚形成星系，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，望遠鏡無法看見它們，Furlanetto說。儘管如此，天文學家還是能夠通過其對周圍物質的影響來搜尋這第一批天體。

黑暗時期開始於CMB之後，結束於類星體與星系形成（大爆炸後10億年）之前。這個中間階段的搜尋工作全都圍繞著宇宙中最多的元素——氫來進行。隨著恆星和星系開始發光，它們發出高能輻射。輻射的能量很強大，足以剝離掉氫原子的電子，使之成為氫離子。

這些光源繼續發射能量，「一點點地，第一批光源在宇宙空間中蝕刻出由離子物質構成的孔洞，」荷蘭開普坦天文研究所的Saleem Zaroubi說。隨著越來越多的恆星形成、發光，這些孔洞的面積不斷擴大，個數不斷增多，直到恆星周圍所有的中性氫都被電離了。

天文學家認為，當第一批恆星和星系照亮宇宙，把氫原子（由一個質子和一個電子組成）電離成氫離子（只有一個質子，沒有電子），由此開啟了持續幾億年時間的再電離時期。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

找到這個轉變時期的關鍵方法是1944年人們發現中性氫在21厘米處發出射電輻射。然而，氫離子不會發射這種輻射。在宇宙早期，中性氫遍布各處，研究人員預計能夠觀測到微弱的射電輻射。這使得距離我們較近的區域沒有21厘米信號，更遠的區域則有較強的輻射。

這個信號的搜尋工作——尋找天文學家所謂的「再電離時期」存在的證據——剛剛展開，目前還沒有任何儀器探測到這個微弱的信號。有能力探測這個輻射的射電望遠鏡最近已經開始工作，另一個則還要等上幾年才能開工。

準備測繪宇宙再電離時期的科學家指出，從電中性的、平淡無奇的宇宙向被電離的、有團塊結構的宇宙的轉變是一個漫長的過程——可能持續幾億年時間。它是宇宙歷史中一個重要的缺失部分。Zaroubi對此表示同意，說：「這對於理解宇宙從開始到現在的演化歷程是非常重要的一步。」

天文學家對大尺度上的宇宙結構，以及宇宙的早期圖景已經有了非常多的了解。然而，不走運的是，在譜寫宇宙歷史時，他們仍然缺少了一個重要的篇章。

像Zaroubi、Furlanetto這樣研究再電離時期的科學家們相信，未來幾十年的觀測將向我們揭示出遙遠的射電輻射，告訴我們宇宙是如何從遍布中性氫的狀態演化成為充滿複雜結構的樣子的，如何形成星系、恆星和我們稱之為家的行星的。

(全文完)