拉尼亚凯亚：4亿光年的宇宙家园

宇宙 · 2016-11-3 15:40:05

拉尼亚凯亚：人类已知最大的宇宙结构（红点为银河系位置）　　撰文诺姆•I•里伯斯金（Noam I. Libeskind） R•布伦特•塔利（R. Brent Tully）　　翻译郭宏　　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。横跨超过一亿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。　　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做“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快速远离彼此，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。　　发现拉尼亚凯亚　　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、在旋涡里盘旋、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Cosmicflows目录，他们通过整理多个数据源得到了距银河系1.3亿光年范围内1800个星系的详细动力学信息。该团队在2013年更进一步，发布了Cosmicflows-2目录，记录了6.5亿光年范围内的8000个星系的运动。团队中的一员，来自耶路撒冷希伯来大学的耶胡达•霍夫曼（Yehuda Hoffman），开发了根据Cosmicflows的本动速度数据来精确得到暗物质分布的方法。　　随着目录的扩大，我们惊讶地发现，海量的数据中隐藏着一个出人意料的模式：一个崭新的、未曾看到过的宇宙结构的轮廓。在超过4亿光年的范围内，所有星系团都在一个局域的“吸引槽”内一起运动，就像水流在地势的最低点积蓄一样。如果不是宇宙的不停膨胀，这些星系会最终聚集成一个致密的引力束缚结构。这一大群星系共同组成了拉尼亚凯亚超星系团。　　到目前为止，对拉尼亚凯亚中星系运动的研究显示，它们的行为与主流暗物质分布模型的预言完全一致——尽管看不到暗物质，但我们能以较高的精度预测宇宙中这些不可见的物质积聚在何处。此外，不论好坏，拉尼亚凯亚中可见物质和暗物质的总密度表明，宇宙将永远加速膨胀下去并最终迎来冰冷的死亡，正如研究暗能量的天体物理学家所设想的那样。　　这个结论仍然是暂时性的，测绘星系流的繁重任务仍有很长的路要走。目前，在4亿光年内只有20%的星系的本动速度已被测量出来，而且许多标准烛光的距离测量仍然有很大的误差。尽管如此，这个逐渐浮现的星系地图让我们对自己在宇宙盆地和山脉中的栖息地有了新的认知。　　我们身处的宇宙环境　　让我们游览一下我们新发现的家园拉尼亚凯亚中正在流动和奔涌的部分，从最熟悉的部分——你开始。不论你在读这篇文章时在地球上运动得是快是慢，你都在随着我们星球的其他部分一起以大约30千米每秒的速度环绕太阳运转。太阳自身也在以大约200千米每秒的速度围绕银河系中心转动，而包括银河系在内的整个本星系群正以超过600千米每秒的速度向着半人马座方向的一个神秘质量聚集中心疾驰。你或许从未想过，当你只是简单地阅读一本杂志或什么都没做时，居然可以运动得如此之快。　　跳出银河系的范围，我们在拉尼亚凯亚广阔区域内的旅行从两个矮星系开始——距离我们“仅”有18~22万光年远的大小麦哲伦云。你可以从地球南半球瞥见麦哲伦云，但是要获得最佳观测效果，你必须在冬天赶赴南极洲。另一个能用裸眼看到的星系是仙女星系，一个巨大的旋涡星系，尽管它即使在非常暗的夜空里看起来也只是一个模糊的斑点。　　仙女星系距离我们250万光年，以大概110千米每秒的本动速度朝我们疾驰而来。在差不多40亿年之后，它就会与银河系迎面撞到一起，两个星系合并成一个由老年红色恒星组成，没什么特征的椭圆形球体。在这场宇宙车祸中，我们的太阳系不太可能会受到影响——恒星间的距离是如此之大，没有哪两个恒星能贴近到足以发生碰撞。银河系、仙女星系以及48个其他星系都是本星系群的成员，而这片区域正在经历塌缩，因为它的引力已经战胜了宇宙膨胀。　　在本星系群之外，大约2500万光年的范围内，在我们的地图中出现了三个显著的地标。包括我们的银河系在内，这里的大部分星系都身处一个名字起得毫无想象力的系统里——本星系墙（Local Sheet）。顾名思义，它很薄——里面的多数星系都分布在厚度为300万光年的结构内，它的赤道面被称作超星系坐标系统。赤道面下面有一段空隙，再下面是一条星系纤维状结构——狮子支（Leo Spur），还有唧筒和剑鱼云（Antlia and Doradus Clouds）里的星系。而赤道面的上方几乎什么都没有。这片空旷区域是本空洞（LocalVoid）的地盘。　　如果只考虑本星系墙内的星系，情况看起来显得非常平静。这些星系以宇宙膨胀的速度互相分开，局域相互作用引起的本动速度很小。在本星系墙的下面，唧筒和剑鱼云，还有狮子支中的星系的本动速度也很小。但是它们却在朝本星系墙高速运动。本空洞是很可能是导致这个现象的罪魁祸首。空洞像充气的气球一样扩张，导致物质从低密度区往高密度区移动，从而堆积在空洞的边界上。按我们现在的理解，本星系墙是本空洞的一面墙，这个空洞正在一步步地膨胀从而把我们推往唧筒和剑鱼云，还有狮子支的方向。　　把镜头进一步拉远，我们会邂逅室女星系团，它的星系数目是本星系群的300倍，但都挤在直径1300万光年的范围内。这些星系以700千米每秒的典型速度在星系团内快速穿行，距离星系团外缘2500万光年内的任何星系都会在100亿年内掉落进去成为它的一部分。室女星系团完整的统治范围，也就是最终会被它俘获的星系所在的区域，目前半径达到了3500万光年。有趣的是，我们的银河系与它之间的距离是5000万光年，刚好位于这个俘获区域的外面。　　庞大星系流　　室女星系团周围更大的区域，把我们所在的位置也囊括进去，被称作本超星系团。几乎在30年前，被戏称为“七武士”的一群天文学家发现，不仅银河系在以几百千米每秒的速度朝半人马座运动，整个本超星系团也都在做同样的运动。他们把拖曳这些星系运动的神秘质量称为巨引源。在许多方面来说，巨引源都没有那么神秘——宇宙那个方向的物质密度明显很高，因为以它为中心的1亿光年范围内包含了7个和室女星系团差不多的星系团，其中最大的三个星系团是矩尺星系团、半人马星系团和长蛇星系团。　　根据我们把超星系团作为宇宙分水岭的构想，它们的边界是根据星系发散的运动而画出来的，这么说来，所谓的本超星系团名不副实。它只是一个更大结构的一部分，也就是拉尼亚凯亚超星系团，后者还包括了其他的大尺度结构，例如孔雀-印第安纤维结构和蛇夫星系团。把拉尼亚凯亚想象成一个城市，我们交通拥挤的市中心就是巨引源区域。正如大部分都市核心一样，我们很难确定一个精准的中心，它的大概位置是在矩尺星系团和半人马星系团之间的某处。根据这样的定位，我们的银河系就被放到了远郊，接近拉尼亚凯亚与毗邻的英仙-双鱼超星系团的交界处。这条边境线在宇宙尺度下相对很近，因此我们可以通过对它的仔细研究来界定拉尼亚凯亚直径约5亿光年的近圆边界。总的来说，拉尼亚凯亚的边界内正常物质和暗物质的总质量相当于大约10亿亿个太阳。　　天文学家在过去的几十年里也瞥见了一些可能位于拉尼亚凯亚之外的结构的轮廓。在七武士发现巨引源之后，天文学家很快就在星际间的黑暗中发现了一些更大的结构。就在巨引源的背后，大约3倍远的地方，是一个巨大的星系团聚集体——这是局域宇宙中目前所知最密集的结构。因为天文学家哈罗•沙普利（Harlow Shapley）在20世纪30年代第一个发现了它存在的证据，这个遥远的巨大结构也被称为沙普利超星系团。（巧合的是，就像本星系墙一样，室女星系团和本超星系团的主要部分，以及巨引源和沙普利超星系团都落在超星系赤道面上。想象一下一个由超星系团组成的庞大薄饼，你就会对我们的大尺度局域环境有个直观的印象。）　　那么，是什么让我们的本超星系团的本动速度达到了600千米每秒？在某种程度上，罪魁祸首是巨引源集合体。但是我们必须同时考虑到沙普利超星系团的引力拖曳，虽然它的距离是3倍远，但是它拥有4倍数量的富星系团。现在，根据Cosmicflows-2——就是揭示了拉尼亚凯亚超星系团那个星系目录——故事没那么简单。这个目录里的8000个星系的本动速度都表明它们在一致地朝向沙普利超星系团运动。这种流动在Cosmicflows-2目录覆盖的整个14亿光年的范围内都存在。它是否会在某处停下？我们还不知道。只有利用更大的巡天项目描绘出越来越大的宇宙区域，才能揭示出我们局域宇宙中星系整体壮观运动背后的最终根源——以及最终的结构。　　作者简介　　诺姆•I•里伯斯金是德国莱布尼兹天体物理研究所的宇宙学家。他使用超级计算机模拟宇宙演化和星系形成，专注于银河系、本星系群和环绕我们的矮星系研究。你可以通过@satellitegalaxy关注Libeskind的天体物理推特。　　R•布伦特•塔利是夏威夷大学的天文学家，他在过去的40年里一直致力于测量星系的距离和绘制它们在空间中的分布和运动。他在1987年与J•理查德•费舍尔（J. Richard Fisher）共同发表的近邻星系地图仍旧是对我们宇宙近邻结构分布的最大规模测绘。塔利对自己找路不需要利用GPS一直感到很自豪。　　本文译者　　郭宏是中国科学院上海天文台研究员、星系分布与演化课题组组长，主要研究方向为宇宙大尺度结构、星系与暗物质关联和星系形成模型等。　　【“《环球科学》太空站”栏目由《科学美国人》中文版《环球科学》独家授权腾讯太空开设，为读者报道天文学、宇宙学、空间科学等领域的最新进展。未经《环球科学》授权，不得转载，摘编等。】

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