天文学家如何找到我们的宇宙地址

想象一下拜访一个遥远的星系，并给家乡的亲人寄一张明信片。您不妨从您在地球上某个家乡街道上的房子开始，地球是离我们太阳第三近的行星。从那里，地址可以列出太阳在猎户座支臂中的位置，猎户座支臂是银河系郊区螺旋臂的一部分，然后是银河系在本地星系群中的位置，本地星系群聚集了 50 多个附近的星系，跨越约 700 万光年的空间。本地星系群又存在于室女座星系团的郊区，室女座星系团是一个距离 5000 万光年的星系团，包含 1000 多个星系，它本身是本超星系团的一小部分，本超星系团是数百个星系群的集合，蔓延超过 1 亿光年。人们认为，这种超星系团是宇宙最大规模结构的最大组成部分，形成了巨大的星系丝状结构和薄片，周围环绕着几乎不存在任何星系的空洞。

直到最近，本超星系团还被认为是您的宇宙地址的尽头。人们认为，超出这个尺度，进一步的方向将变得毫无意义，因为清晰的、超星系团交织的星系薄片和空洞结构之间的边界让位于宇宙的同质领域，没有更大的可辨别特征。但在 2014 年，我们中的一位（Tully）领导一个团队发现，我们是一个巨大结构的一部分，这个结构如此巨大，以至于打破了这种观点。事实证明，本超星系团只是一个更大的超星系团的一个瓣，这个超星系团由 10 万个大型星系组成，绵延 4 亿光年。发现这个庞大超星系团的团队以早期波利尼西亚人为纪念，将它命名为拉尼亚凯亚（夏威夷语“浩瀚无垠的天堂”），他们通过星星在广阔的太平洋中航行。银河系远离拉尼亚凯亚的中心，位于其最外层的腹地。

拉尼亚凯亚不仅仅是我们宇宙地址上的一个新行。通过研究这个巨大结构的结构和动力学，我们可以更多地了解宇宙的过去和未来。绘制其组成星系及其行为方式的图表可以帮助我们更好地了解星系是如何形成和增长的，同时还能告诉我们更多关于暗物质的本质——天文学家认为暗物质约占宇宙物质的 80%。

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拉尼亚凯亚还可以帮助揭开暗能量的神秘面纱，暗能量是一种强大的力量，仅在 1998 年才被发现，它以某种方式驱动着宇宙的加速膨胀，从而塑造着宇宙的最终命运。超星系团实际上可能不是我们宇宙地址的最后一行——事实上，它可能是尚未被发现的更大结构的一部分。

用星系流探测谜团

发现拉尼亚凯亚的团队并非完全是为了寻找它而出发的。相反，拉尼亚凯亚是从努力回答关于宇宙本质的挥之不去的基本问题中出现的。

科学家们近一个世纪以来都知道，宇宙正在膨胀，像充气气球表面上的点一样将星系相互拉开。然而，近几十年来，人们已经清楚地认识到，如果膨胀是作用于星系的唯一力量，那么大多数星系的分离速度并没有预期的那么快。另一种更局部的力量也在起作用——来自其他附近物质积累的引力牵引，它可以抵消星系在宇宙膨胀中的流动。星系因宇宙膨胀而产生的运动与其局部环境产生的运动之间的差异称为本动速度。

如果我们把我们看到的所有星系中的所有恒星加起来，再加上我们所知道的所有气体和其他普通物质，我们仍然无法解释观测到的本动速度的引力源，差了一个数量级。由于我们的无知，天文学家将缺失的部分称为“暗物质”。我们推测这种暗物质由粒子组成，这些粒子几乎只通过引力而不是通过其他力（如电磁力）与宇宙的其余部分相互作用，并且暗物质施加了“缺失的”引力，以解释观测到的速度。科学家们认为，星系位于暗物质的深池中——暗物质是星系在其周围凝聚的看不见的支架。

Tully 的小组和其他人意识到，创建星系流和本动速度的地图可以揭示暗物质隐藏的宇宙分布，通过暗物质对星系运动的引力影响，揭示这种神秘物质的最大浓度。例如，如果星系流都流向某个特定的点，人们可以假设星系正被物质高度稠密的区域引力拉向该点。

他们还意识到，确定宇宙中所有形式的物质的密度和分布可能有助于解决另一个更深层次的谜团：宇宙不仅在膨胀，而且还在加速膨胀。这种行为与抛向空中的岩石冲向天空而不是落回地球一样违反直觉。无论是什么力量驱动着这种奇异现象，都被称为“暗能量”，并且对宇宙的未来具有深远的影响。加速膨胀表明宇宙最终将经历寒冷的死亡，大多数星系以加速的速度相互远离，直到最终的黑暗降临宇宙，每个星系中的每颗恒星都死亡，所有物质都冷却到绝对零度。但是，要确切知道这一切将如何结束，不仅需要确定暗能量到底是什么，还需要确定宇宙中有多少物质：如果物质密度足够高，那么在遥远的未来，我们的宇宙可能会逆转其膨胀，由于其累积质量的自引力而向内坍缩。或者，它可能具有平衡的物质密度，这将导致无限但不断减速的膨胀。

正是这种绘制星系流以绘制普通物质和暗物质的宇宙密度图的做法，最终揭示了拉尼亚凯亚。

发现拉尼亚凯亚

绘制星系流图需要了解星系因宇宙膨胀而产生的运动及其因附近物质而产生的运动。作为第一步，天文学家测量星系的红移——星系发出的光在通过膨胀的宇宙远离我们时被拉伸。向我们移动的口哨或警笛的音调比远离时更高，因为它的声波被压缩到更高的频率和更短的波长。同样，来自远离我们的星系的光波会转移到更低的频率和更长、更红的波长——它们后退的速度越快，红移就越大。因此，星系的红移为天文学家提供了衡量其整体速度和粗略估计其距离的方法。

天文学家可以通过红移以外的其他技术测量距离，从而推断出星系速度中有多少是局部引力牵引的结果。例如，根据对宇宙膨胀率的严格估计，测量距离为 325 万光年的星系的速度应约为每秒 70 公里。相反，如果星系的红移产生的速度为每秒 60 公里，天文学家可以推断出该星系附近的物质浓度正在给它提供每秒 10 公里的本动速度。用于提供独立于红移的距离测量的技术主要依赖于光强度随距光源距离平方反比而减小的事实。也就是说，如果您看到两个相同的灯塔，但其中一个看起来只有四分之一的亮度，那么您就知道较暗的那个灯塔的距离是原来的两倍。在天文学中，这种相同的灯塔被称为标准烛光，即在宇宙中的任何位置都以相同亮度发光的天体物理物体。例子包括某些类型的爆炸或脉动恒星——甚至是由 Tully 和天文学家 J. Richard Fisher 在 1977 年首次提出的大型星系。这种 Tully-Fisher 关系利用了大型星系比小型星系更明亮且旋转更快的特点——它们拥有更多的恒星，并且必须旋转得更快才能在其更强的引力场中保持稳定性。测量星系的自转速率，您就可以了解其内在光度；将其与视亮度进行比较，您就可以了解其距离。

每个不同的标准烛光都有其最佳工作范围。如果星系靠近银河系，则只能很好地观测到称为造父变星的脉动星，因此它们不适合大规模距离测量。Tully-Fisher 关系可以用于许多旋涡星系，但它们产生的距离估计值的不确定性高达 20%。称为 Ia 型超新星的爆炸恒星产生的测量值的不确定性只有一半，并且在广阔的宇宙距离上闪耀，但它们很罕见，在一个大小合适的星系中，一个世纪只发生一次。

为了解决我们关于暗物质和暗能量的问题而进行的大规模测绘，需要编目来自大量观测计划的所有最佳可用数据。2008 年，Tully、Hélène M. Courtois（现就职于法国里昂核物理研究所）及其同事发表了 Cosmicflows 星表，该星表整理了多个数据集，详细描述了银河系 1.3 亿光年范围内 1,800 个星系的动力学。该团队在 2013 年扩大了工作范围，推出了 Cosmicflows-2 星表，绘制了约 8,000 个星系的运动，这些星系位于约 6.5 亿光年的体积内。该团队的一名成员，耶路撒冷希伯来大学的 Yehuda Hoffman 开发了从 Cosmicflows 数据的本动速度精确推导出暗物质分布的方法。

随着星表的扩展，我们惊奇地发现隐藏在大量数据中的一个意想不到的模式：一个新的、以前看不见的宇宙结构的轮廓。跨越超过 4 亿光年的星系团都在一个局部的“吸引盆地”内一起移动，类似于水汇集在景观地形的最低点。如果不是宇宙持续膨胀，这些星系最终将合并成一个紧凑的、引力束缚的结构。总而言之，这群庞大的星系构成了拉尼亚凯亚超星系团。

到目前为止，对拉尼亚凯亚星系运动的研究表明，它们的行为与暗物质宇宙分布的主流模型所预期的完全一致——尽管我们看不到它，但我们可以合理准确地预测宇宙中看不见的东西在哪里积累。此外，无论好坏，拉尼亚凯亚内部可见物质和暗物质的总密度表明，正如暗能量理论家所认为的那样，宇宙注定要走向不断加速膨胀的寒冷死亡。

这些结论仍然是暂定的。绘制星系流图的艰巨任务仍有很长的路要走。目前，在 4 亿光年范围内的星系中，只有 20% 的星系也确定了本动速度，并且许多标准烛光距离测量仍然存在很大的不确定性。即便如此，我们星系邻域的新兴地图正在让我们对我们在宇宙的宇宙学盆地和山脉中的栖息地有了新的认识。

我们的宇宙学背景

让我们参观一下我们新发现的家园拉尼亚凯亚的流动、奔流的组成部分，从它最熟悉的部分——您开始。无论您在阅读本文时在地球上以多慢或多快的速度旅行，您都在以大约每秒 30 公里的速度绕太阳旋转，与我们星球的其余部分一起。太阳反过来又以大约每秒 200 公里的速度绕银河系中心运行，整个本星系群，包括银河系，都以超过每秒 600 公里的速度冲向人马座方向的一个神秘的质量集中区（稍后会详细介绍）。您可能从未意识到，仅仅通过阅读杂志文章——或者什么都不做，您就可以移动得如此之快。

当我们从银河系放大时，我们穿越拉尼亚凯亚广阔空间的旅程从两个矮星系开始，即大小麦哲伦星云，它们距离“仅仅”18 万到 22 万光年。您可以从地球的南半球瞥见麦哲伦星云，但要获得最佳视野，您必须一直前往南极洲，在冬季期间。唯一可以用肉眼看到的另一个星系是巨大的仙女座旋涡星系，尽管它在非常黑暗的天空中看起来只是模糊的一片。

仙女座距离我们 250 万光年，正以大约每秒 110 公里的本动速度向我们飞奔而来。大约在 40 亿年后，它将与银河系正面相撞，并将两个星系转变成一个由古老的红色恒星组成的单一、平淡的椭球体。我们的太阳系不太可能在这种宇宙撞车事故中受到影响——恒星之间的距离如此之大，以至于没有两颗恒星有可能足够接近而发生碰撞。银河系、仙女座和另外几十个星系是本星系群的成员，本星系群是一个引力战胜宇宙膨胀并正在发生坍缩的区域。像银河系本身及其麦哲伦星云一样，所有这些大型星系都有自己的矮星系随从。

就在本星系群之外，在一个约 2500 万光年的体积内，我们的地图上出现了三个独特的特征。这里的大多数星系，包括我们自己的星系，都生活在名称缺乏想象力的本星系片中。正如“薄片”所暗示的那样，它非常薄——它的大多数星系都位于这个结构的三百万光年范围内，这个结构本身就是所谓的超星系坐标系的赤道面。在这个平面下方，经过一个间隙后，是一条星系丝状体——狮子座支臂——以及蚁后座星云和剑鱼座星云中的星系。在平面上方，附近基本上什么都没有。这种空旷是本空洞的领域。

如果只考虑本星系片内的星系，情况似乎非常平静。这些星系正以宇宙膨胀的速度彼此飞散，只有局部相互作用引起的小本动速度。在本星系片下方，蚁后座星云、剑鱼座星云和狮子座支臂的星系也具有较小的本动速度。然而，它们正以高速接近本星系片。本空洞可能是罪魁祸首。空洞像充气气球一样膨胀，物质从低密度区域移动到高密度区域，并在其边界处堆积。我们现在认识到，本星系片是本空洞的壁，并且这个空洞正在膨胀，将我们向下推向蚁后座、剑鱼座和狮子座。

进一步放大，我们遇到了室女座星系团，它相当于 300 个本星系群的星系，被挤压在一个直径为 1300 万光年的体积内。这些星系以每秒 700 公里的典型速度呼啸而过，任何位于星系团外部 2500 万光年范围内的星系都将向内坠落，并在 100 亿年内成为其中的一部分。室女座的势力范围的全部范围，即它最终将捕获的区域，延伸到当前半径为 3500 万光年。有趣的是，我们的银河系距离 5000 万光年，恰好位于这个捕获区之外。

巨大的星系流

室女座星系团周围延伸到我们位置的更大区域被称为本超星系团。三十年前，一群天文学家，他们因友好的绰号“七武士”而闻名，发现不仅仅是银河系以每秒数百公里的速度向人马座方向移动，而是整个本超星系团都在移动。他们将拉动所有这些星系聚集在一起的神秘质量称为巨引源。在许多方面，巨引源并不那么神秘——宇宙那个方向的物质密度显然很高，因为它包含七个与室女座星系团相当的星系团，这些星系团位于一个 1 亿光年宽的球体范围内。最大的三个星系团被称为矩尺座星系团、半人马座星系团和长蛇座星系团。

根据我们将超星系团视为宇宙分水岭的概念，该概念根据星系的发散运动绘制它们的边界，所谓的本超星系团被误称了。它只是更大事物的一部分——即拉尼亚凯亚，它包含其他大型结构，如孔雀座-印第安座丝状体和蛇夫座星系团。将拉尼亚凯亚想象成一座城市，我们交通繁忙的市中心将是巨引源区域。与大多数城市核心区一样，很难指定一个精确的中心，但一个近似值会将其放置在矩尺座星系团和半人马座星系团之间的某个位置。这个位置将我们的银河系远远地放置在郊区，靠近一个名为英仙座-双鱼座的相邻超星系团的边界。这个边界在宇宙尺度上相对较近，以至于我们可以详细研究它，以定义拉尼亚凯亚的斑点状、大致圆形、半十亿光年宽的边界。总的来说，拉尼亚凯亚的边界包含来自普通物质和暗物质的质量，相当于约 100 万亿个太阳。

几十年来，天文学家一直在瞥见可能位于拉尼亚凯亚之外的轮廓。在七武士发现巨引源后不久，一个更大的东西从星系际的阴霾中浮现出来。直接位于巨引源区域之后，但距离远三倍的是一个巨大的星系团堆积——本星系团中最稠密的已知星系团。由于天文学家 Harlow Shapley 在 1930 年代首次发现了其存在的证据，这个遥远而巨大的结构被称为 Shapley 超星系团。（顺便说一句，就像本星系片、室女座星系团和本超星系团的主带，以及巨引源和 Shapley 超星系团一样，都位于超星系赤道上。想象一个巨大的星系超星系团煎饼，您就会对我们的大尺度局部环境有一个很好的了解。）

那么，是什么导致了我们本超星系团每秒 600 公里的本动速度呢？在某种程度上，罪魁祸首一定是巨引源复合体。但我们也必须考虑 Shapley 超星系团的引力，它距离远三倍，但富星系团的数量却是四倍。现在，根据 Cosmicflows-2 星表——正是这个星表揭示了拉尼亚凯亚——还有更多的故事。该星表中 8,000 个星系的本动速度证明了朝着 Shapley 超星系团的连贯流动。这种流动涵盖了 Cosmicflows-2 星表的整个体积，端到端长达 14 亿光年。它会止步于此吗？我们还不知道。只有更大的巡天才能绘制出宇宙更大的区域，才能揭示我们局部宇宙中星系史诗般流动的最终来源——和最终结构。