天文學家如何找到我們的宇宙地址

想象一下拜訪一個遙遠的星系，並給家鄉的親人寄一張明信片。您不妨從您在地球上某個家鄉街道上的房子開始，地球是離我們太陽第三近的行星。從那裡，地址可以列出太陽在獵戶座支臂中的位置，獵戶座支臂是銀河系郊區螺旋臂的一部分，然後是銀河系在本地星系群中的位置，本地星系群聚集了 50 多個附近的星系，跨越約 700 萬光年的空間。本地星系群又存在於室女座星系團的郊區，室女座星系團是一個距離 5000 萬光年的星系團，包含 1000 多個星系，它本身是本超星系團的一小部分，本超星系團是數百個星系群的集合，蔓延超過 1 億光年。人們認為，這種超星系團是宇宙最大規模結構的最大組成部分，形成了巨大的星系絲狀結構和薄片，周圍環繞著幾乎不存在任何星系的空洞。

直到最近，本超星系團還被認為是您的宇宙地址的盡頭。人們認為，超出這個尺度，進一步的方向將變得毫無意義，因為清晰的、超星系團交織的星系薄片和空洞結構之間的邊界讓位於宇宙的同質領域，沒有更大的可辨別特徵。但在 2014 年，我們中的一位（Tully）領導一個團隊發現，我們是一個巨大結構的一部分，這個結構如此巨大，以至於打破了這種觀點。事實證明，本超星系團只是一個更大的超星系團的一個瓣，這個超星系團由 10 萬個大型星系組成，綿延 4 億光年。發現這個龐大超星系團的團隊以早期波利尼西亞人為紀念，將它命名為拉尼亞凱亞（夏威夷語“浩瀚無垠的天堂”），他們透過星星在廣闊的太平洋中航行。銀河系遠離拉尼亞凱亞的中心，位於其最外層的腹地。

拉尼亞凱亞不僅僅是我們宇宙地址上的一個新行。透過研究這個巨大結構的結構和動力學，我們可以更多地瞭解宇宙的過去和未來。繪製其組成星系及其行為方式的圖表可以幫助我們更好地瞭解星系是如何形成和增長的，同時還能告訴我們更多關於暗物質的本質——天文學家認為暗物質約佔宇宙物質的 80%。

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拉尼亞凱亞還可以幫助揭開暗能量的神秘面紗，暗能量是一種強大的力量，僅在 1998 年才被發現，它以某種方式驅動著宇宙的加速膨脹，從而塑造著宇宙的最終命運。超星系團實際上可能不是我們宇宙地址的最後一行——事實上，它可能是尚未被發現的更大結構的一部分。

用星系流探測謎團

發現拉尼亞凱亞的團隊並非完全是為了尋找它而出發的。相反，拉尼亞凱亞是從努力回答關於宇宙本質的揮之不去的基本問題中出現的。

科學家們近一個世紀以來都知道，宇宙正在膨脹，像充氣氣球表面上的點一樣將星系相互拉開。然而，近幾十年來，人們已經清楚地認識到，如果膨脹是作用於星系的唯一力量，那麼大多數星系的分離速度並沒有預期的那麼快。另一種更區域性的力量也在起作用——來自其他附近物質積累的引力牽引，它可以抵消星系在宇宙膨脹中的流動。星系因宇宙膨脹而產生的運動與其區域性環境產生的運動之間的差異稱為本動速度。

如果我們把我們看到的所有星系中的所有恆星加起來，再加上我們所知道的所有氣體和其他普通物質，我們仍然無法解釋觀測到的本動速度的引力源，差了一個數量級。由於我們的無知，天文學家將缺失的部分稱為“暗物質”。我們推測這種暗物質由粒子組成，這些粒子幾乎只通過引力而不是透過其他力（如電磁力）與宇宙的其餘部分相互作用，並且暗物質施加了“缺失的”引力，以解釋觀測到的速度。科學家們認為，星系位於暗物質的深池中——暗物質是星系在其周圍凝聚的看不見的支架。

Tully 的小組和其他人意識到，建立星系流和本動速度的地圖可以揭示暗物質隱藏的宇宙分佈，透過暗物質對星系運動的引力影響，揭示這種神秘物質的最大濃度。例如，如果星系流都流向某個特定的點，人們可以假設星系正被物質高度稠密的區域引力拉向該點。

他們還意識到，確定宇宙中所有形式的物質的密度和分佈可能有助於解決另一個更深層次的謎團：宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。這種行為與拋向空中的岩石衝向天空而不是落回地球一樣違反直覺。無論是什麼力量驅動著這種奇異現象，都被稱為“暗能量”，並且對宇宙的未來具有深遠的影響。加速膨脹表明宇宙最終將經歷寒冷的死亡，大多數星系以加速的速度相互遠離，直到最終的黑暗降臨宇宙，每個星系中的每顆恆星都死亡，所有物質都冷卻到絕對零度。但是，要確切知道這一切將如何結束，不僅需要確定暗能量到底是什麼，還需要確定宇宙中有多少物質：如果物質密度足夠高，那麼在遙遠的未來，我們的宇宙可能會逆轉其膨脹，由於其累積質量的自引力而向內坍縮。或者，它可能具有平衡的物質密度，這將導致無限但不斷減速的膨脹。

正是這種繪製星系流以繪製普通物質和暗物質的宇宙密度圖的做法，最終揭示了拉尼亞凱亞。

發現拉尼亞凱亞

繪製星系流圖需要了解星系因宇宙膨脹而產生的運動及其因附近物質而產生的運動。作為第一步，天文學家測量星系的紅移——星系發出的光在透過膨脹的宇宙遠離我們時被拉伸。向我們移動的口哨或警笛的音調比遠離時更高，因為它的聲波被壓縮到更高的頻率和更短的波長。同樣，來自遠離我們的星系的光波會轉移到更低的頻率和更長、更紅的波長——它們後退的速度越快，紅移就越大。因此，星系的紅移為天文學家提供了衡量其整體速度和粗略估計其距離的方法。

天文學家可以透過紅移以外的其他技術測量距離，從而推斷出星系速度中有多少是區域性引力牽引的結果。例如，根據對宇宙膨脹率的嚴格估計，測量距離為 325 萬光年的星系的速度應約為每秒 70 公里。相反，如果星系的紅移產生的速度為每秒 60 公里，天文學家可以推斷出該星系附近的物質濃度正在給它提供每秒 10 公里的本動速度。用於提供獨立於紅移的距離測量的技術主要依賴於光強度隨距光源距離平方反比而減小的事實。也就是說，如果您看到兩個相同的燈塔，但其中一個看起來只有四分之一的亮度，那麼您就知道較暗的那個燈塔的距離是原來的兩倍。在天文學中，這種相同的燈塔被稱為標準燭光，即在宇宙中的任何位置都以相同亮度發光的天體物理物體。例子包括某些型別的爆炸或脈動恆星——甚至是由 Tully 和天文學家 J. Richard Fisher 在 1977 年首次提出的大型星系。這種 Tully-Fisher 關係利用了大型星系比小型星系更明亮且旋轉更快的特點——它們擁有更多的恆星，並且必須旋轉得更快才能在其更強的引力場中保持穩定性。測量星系的自轉速率，您就可以瞭解其內在光度；將其與視亮度進行比較，您就可以瞭解其距離。

每個不同的標準燭光都有其最佳工作範圍。如果星系靠近銀河系，則只能很好地觀測到稱為造父變星的脈動星，因此它們不適合大規模距離測量。Tully-Fisher 關係可以用於許多旋渦星系，但它們產生的距離估計值的不確定性高達 20%。稱為 Ia 型超新星的爆炸恆星產生的測量值的不確定性只有一半，並且在廣闊的宇宙距離上閃耀，但它們很罕見，在一個大小合適的星系中，一個世紀只發生一次。

為了解決我們關於暗物質和暗能量的問題而進行的大規模測繪，需要編目來自大量觀測計劃的所有最佳可用資料。2008 年，Tully、Hélène M. Courtois（現就職於法國里昂核物理研究所）及其同事發表了 Cosmicflows 星表，該星表整理了多個數據集，詳細描述了銀河系 1.3 億光年範圍內 1,800 個星系的動力學。該團隊在 2013 年擴大了工作範圍，推出了 Cosmicflows-2 星表，繪製了約 8,000 個星系的運動，這些星系位於約 6.5 億光年的體積內。該團隊的一名成員，耶路撒冷希伯來大學的 Yehuda Hoffman 開發了從 Cosmicflows 資料的本動速度精確推匯出暗物質分佈的方法。

隨著星表的擴充套件，我們驚奇地發現隱藏在大量資料中的一個意想不到的模式：一個新的、以前看不見的宇宙結構的輪廓。跨越超過 4 億光年的星系團都在一個區域性的“吸引盆地”內一起移動，類似於水彙集在景觀地形的最低點。如果不是宇宙持續膨脹，這些星系最終將合併成一個緊湊的、引力束縛的結構。總而言之，這群龐大的星系構成了拉尼亞凱亞超星系團。

到目前為止，對拉尼亞凱亞星系運動的研究表明，它們的行為與暗物質宇宙分佈的主流模型所預期的完全一致——儘管我們看不到它，但我們可以合理準確地預測宇宙中看不見的東西在哪裡積累。此外，無論好壞，拉尼亞凱亞內部可見物質和暗物質的總密度表明，正如暗能量理論家所認為的那樣，宇宙註定要走向不斷加速膨脹的寒冷死亡。

這些結論仍然是暫定的。繪製星系流圖的艱鉅任務仍有很長的路要走。目前，在 4 億光年範圍內的星系中，只有 20% 的星系也確定了本動速度，並且許多標準燭光距離測量仍然存在很大的不確定性。即便如此，我們星系鄰域的新興地圖正在讓我們對我們在宇宙的宇宙學盆地和山脈中的棲息地有了新的認識。

我們的宇宙學背景

讓我們參觀一下我們新發現的家園拉尼亞凱亞的流動、奔流的組成部分，從它最熟悉的部分——您開始。無論您在閱讀本文時在地球上以多慢或多快的速度旅行，您都在以大約每秒 30 公里的速度繞太陽旋轉，與我們星球的其餘部分一起。太陽反過來又以大約每秒 200 公里的速度繞銀河系中心執行，整個本星系群，包括銀河系，都以超過每秒 600 公里的速度衝向人馬座方向的一個神秘的質量集中區（稍後會詳細介紹）。您可能從未意識到，僅僅透過閱讀雜誌文章——或者什麼都不做，您就可以移動得如此之快。

當我們從銀河系放大時，我們穿越拉尼亞凱亞廣闊空間的旅程從兩個矮星系開始，即大小麥哲倫星雲，它們距離“僅僅”18 萬到 22 萬光年。您可以從地球的南半球瞥見麥哲倫星雲，但要獲得最佳視野，您必須一直前往南極洲，在冬季期間。唯一可以用肉眼看到的另一個星系是巨大的仙女座旋渦星系，儘管它在非常黑暗的天空中看起來只是模糊的一片。

仙女座距離我們 250 萬光年，正以大約每秒 110 公里的本動速度向我們飛奔而來。大約在 40 億年後，它將與銀河系正面相撞，並將兩個星系轉變成一個由古老的紅色恆星組成的單一、平淡的橢球體。我們的太陽系不太可能在這種宇宙撞車事故中受到影響——恆星之間的距離如此之大，以至於沒有兩顆恆星有可能足夠接近而發生碰撞。銀河系、仙女座和另外幾十個星系是本星系群的成員，本星系群是一個引力戰勝宇宙膨脹並正在發生坍縮的區域。像銀河系本身及其麥哲倫星雲一樣，所有這些大型星系都有自己的矮星系隨從。

就在本星系群之外，在一個約 2500 萬光年的體積內，我們的地圖上出現了三個獨特的特徵。這裡的大多數星系，包括我們自己的星系，都生活在名稱缺乏想象力的本星系片中。正如“薄片”所暗示的那樣，它非常薄——它的大多數星系都位於這個結構的三百萬光年範圍內，這個結構本身就是所謂的超星系座標系的赤道面。在這個平面下方，經過一個間隙後，是一條星系絲狀體——獅子座支臂——以及蟻后座星雲和劍魚座星雲中的星系。在平面上方，附近基本上什麼都沒有。這種空曠是本空洞的領域。

如果只考慮本星系片內的星系，情況似乎非常平靜。這些星系正以宇宙膨脹的速度彼此飛散，只有區域性相互作用引起的小本動速度。在本星系片下方，蟻后座星雲、劍魚座星雲和獅子座支臂的星系也具有較小的本動速度。然而，它們正以高速接近本星系片。本空洞可能是罪魁禍首。空洞像充氣氣球一樣膨脹，物質從低密度區域移動到高密度區域，並在其邊界處堆積。我們現在認識到，本星系片是本空洞的壁，並且這個空洞正在膨脹，將我們向下推向蟻后座、劍魚座和獅子座。

進一步放大，我們遇到了室女座星系團，它相當於 300 個本星系群的星系，被擠壓在一個直徑為 1300 萬光年的體積內。這些星系以每秒 700 公里的典型速度呼嘯而過，任何位於星系團外部 2500 萬光年範圍內的星系都將向內墜落，並在 100 億年內成為其中的一部分。室女座的勢力範圍的全部範圍，即它最終將捕獲的區域，延伸到當前半徑為 3500 萬光年。有趣的是，我們的銀河系距離 5000 萬光年，恰好位於這個捕獲區之外。

巨大的星系流

室女座星系團周圍延伸到我們位置的更大區域被稱為本超星系團。三十年前，一群天文學家，他們因友好的綽號“七武士”而聞名，發現不僅僅是銀河系以每秒數百公里的速度向人馬座方向移動，而是整個本超星系團都在移動。他們將拉動所有這些星系聚集在一起的神秘質量稱為巨引源。在許多方面，巨引源並不那麼神秘——宇宙那個方向的物質密度顯然很高，因為它包含七個與室女座星系團相當的星系團，這些星系團位於一個 1 億光年寬的球體範圍內。最大的三個星系團被稱為矩尺座星系團、半人馬座星系團和長蛇座星系團。

根據我們將超星系團視為宇宙分水嶺的概念，該概念根據星系的發散運動繪製它們的邊界，所謂的本超星系團被誤稱了。它只是更大事物的一部分——即拉尼亞凱亞，它包含其他大型結構，如孔雀座-印第安座絲狀體和蛇夫座星系團。將拉尼亞凱亞想象成一座城市，我們交通繁忙的市中心將是巨引源區域。與大多數城市核心區一樣，很難指定一個精確的中心，但一個近似值會將其放置在矩尺座星系團和半人馬座星系團之間的某個位置。這個位置將我們的銀河系遠遠地放置在郊區，靠近一個名為英仙座-雙魚座的相鄰超星系團的邊界。這個邊界在宇宙尺度上相對較近，以至於我們可以詳細研究它，以定義拉尼亞凱亞的斑點狀、大致圓形、半十億光年寬的邊界。總的來說，拉尼亞凱亞的邊界包含來自普通物質和暗物質的質量，相當於約 100 萬億個太陽。

幾十年來，天文學家一直在瞥見可能位於拉尼亞凱亞之外的輪廓。在七武士發現巨引源後不久，一個更大的東西從星系際的陰霾中浮現出來。直接位於巨引源區域之後，但距離遠三倍的是一個巨大的星系團堆積——本星系團中最稠密的已知星系團。由於天文學家 Harlow Shapley 在 1930 年代首次發現了其存在的證據，這個遙遠而巨大的結構被稱為 Shapley 超星系團。（順便說一句，就像本星系片、室女座星系團和本超星系團的主帶，以及巨引源和 Shapley 超星系團一樣，都位於超星系赤道上。想象一個巨大的星系超星系團煎餅，您就會對我們的大尺度區域性環境有一個很好的瞭解。）

那麼，是什麼導致了我們本超星系團每秒 600 公里的本動速度呢？在某種程度上，罪魁禍首一定是巨引源複合體。但我們也必須考慮 Shapley 超星系團的引力，它距離遠三倍，但富星系團的數量卻是四倍。現在，根據 Cosmicflows-2 星表——正是這個星表揭示了拉尼亞凱亞——還有更多的故事。該星表中 8,000 個星系的本動速度證明了朝著 Shapley 超星系團的連貫流動。這種流動涵蓋了 Cosmicflows-2 星表的整個體積，端到端長達 14 億光年。它會止步於此嗎？我們還不知道。只有更大的巡天才能繪製出宇宙更大的區域，才能揭示我們區域性宇宙中星系史詩般流動的最終來源——和最終結構。