想象一下，您访问一个遥远的星系，并给您在家的亲人寄一张明信片。您可以从您家在您家乡的街道开始，地球上的某个地方，我们太阳系的第三颗行星。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，然后是银河系在本星系群中的位置，本星系群是 50 多个附近星系的聚集地，跨越约 700 万光年的空间。本星系群反过来又存在于室女座星系团的边缘，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，它本身又是本超星系团的一小部分，本超星系团是由数百个星系群组成的集合，散布在超过 1 亿光年的范围内。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片状结构，周围环绕着几乎没有任何星系存在的空洞。
直到最近，本超星系团还被认为是您宇宙地址的终点。人们认为，超出这个尺度，进一步的指示将变得毫无意义，因为星系片和空洞清晰的、超星系团交织的结构之间的界限让位于宇宙的同质区域，而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，我们是一个如此巨大的结构的一部分，以至于它打破了这种观点。事实证明，本超星系团只是一个更大的超星系团的一个叶瓣，这个超星系团是由 10 万个大型星系组成的集合，跨越 4 亿光年。发现这个巨大超星系团的团队将其命名为拉尼亚凯亚（Laniakea），在夏威夷语中意为“不可估量的天堂”，以纪念早期波利尼西亚人通过星星航行于浩瀚的太平洋。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新一行。通过研究这个巨大结构的架构和动力学，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生长的，同时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中物质的 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，于 1998 年才被发现，它以某种方式驱动着宇宙加速膨胀，从而塑造着宇宙的最终命运。而且，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。
用星系流探测奥秘
发现拉尼亚凯亚的团队并非真的打算去寻找它。相反，拉尼亚凯亚是从回答关于宇宙本质的挥之不去的基本问题的努力中出现的。
科学家们近一个世纪以来都知道，宇宙正在膨胀，像膨胀气球表面上的点一样，将星系彼此拉开。然而，近几十年来，越来越清楚的是，如果膨胀是作用于它们的唯一力，那么大多数星系的分离速度并没有预期的那么快。另一种更局部的力也在起作用——来自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。星系运动与宇宙膨胀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，再加上我们知道的所有气体和其他普通物质，我们发现我们无法解释观测到的本动速度的引力来源，差了一个数量级。由于我们的无知，我们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，星系位于深暗物质池中——暗物质是星系凝聚的无形支架。
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，揭示神秘物质的最大浓度。例如，如果星系流都流向一个特定的点，人们可以假设星系正受到物质高度密集区域的引力吸引而朝向该点移动。
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图片来源：Bryan Christie；资料来源：“卫星星系平面和宇宙网”，Noam I. Libeskind 等人，《英国皇家天文学会月刊》，第 452 卷，第 1 期；2015 年 9 月 1 日（插页板）；Daniel Pomarède、Hélène M. Courtois、Yehuda Hoffman 和 Brent Tully（拉尼亚凯亚插图的数据）
他们还意识到，确定宇宙中所有形式物质的密度和分布可能有助于解决另一个甚至更深层次的谜团：宇宙不仅在膨胀，而且还在以加速的速度膨胀。这种行为就像一块被抛向空中的石头冲向天空而不是落回地球一样违反直觉。任何驱动这种奇异现象的力量都被称为“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彼此远离，直到最终的黑暗降临到宇宙，因为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，要确切地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：给定足够高的物质密度，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坍缩到自身之中。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宇宙密度的图表最终导致了拉尼亚凯亚的揭幕。
发现拉尼亚凯亚
绘制星系流图需要知道星系由宇宙膨胀引起的运动及其由附近物质引起的运动。作为第一步，天文学家测量星系的红移——当星系在膨胀的宇宙中远离我们时，星系发射的光被拉伸。向我们移动的哨子或警报器的音调高于远离时，因为其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较低的频率和更长、更红的波长——它们后退的速度越快，它们变得越红移。因此，星系的红移为天文学家提供了对其整体速度的测量以及对其距离的粗略估计。
天文学家可以通过红移以外的其他技术测量其距离，从而推断出星系速度中有多少是局部引力拖拽的结果。例如，根据对宇宙膨胀率的严格估计，测量距离为 325 万光年的星系应具有约 70 公里/秒的速度。相反，如果星系的红移产生 60 公里/秒的速度，天文学家可以推断出该星系附近的物质浓度正在给它一个 10 公里/秒的本动速度。用于提供与红移无关的距离测量的技术主要依赖于光的强度随着距光源距离的平方反比而减小的原理。也就是说，如果您看到两个相同的灯塔，但一个灯塔的亮度只有四分之一，那么您就知道较暗的灯塔是两倍远。在天文学中，这种相同的灯塔被称为标准烛光，即无论它们在宇宙中的哪个位置，始终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这一事实——它们有更多的恒星，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。测量星系的旋转速度，您就可以了解其内在亮度；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。被称为造父变星的脉动星只有在星系靠近银河系时才能被很好地观测到，因此它们不适合大规模距离测量。Tully-Fisher 关系可用于许多螺旋星系，但它们产生的距离估计值具有高达 20% 的不确定性。被称为 Ia 型超新星的爆炸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发光，但它们很少见，在一个大小合适的星系中，一个世纪才发生一次。
如果可以获得宇宙中大量星系的本动速度，天文学家就可以绘制最大规模的星系流图。在这些巨大的尺度上，星系流可以与蜿蜒穿过我们称之为宇宙分水岭的河流进行比较，其运动由附近结构的引力而不是地形定义。在这些“宇宙学”地图中，星系在电流中流动，在涡流中旋转，并在池中聚集，以间接揭示宇宙中最大物质积累的结构、动力学、起源和未来 [参见上方方框]。
为了满足我们关于暗物质和暗能量的问题所需的规模进行绘制，需要编目来自大量观测计划的所有最佳可用数据。2008 年，Tully、现在在法国里昂核物理研究所的 Hélène M. Courtois 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 1800 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 8000 个星系在一个约 6.5 亿光年的体积内的运动。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。
随着星表的扩大，我们惊讶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、以前未见的宇宙结构的轮廓。跨越超过 4 亿光年的星系群在一个局部的“吸引盆地”内一起移动，类似于水聚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。所有这些星系群共同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，它们的行为正如暗物质宇宙分布的主流模型所预期的那样——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物质在哪里积累。此外，无论好坏，拉尼亚凯亚内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还有很长的路要走。目前，在 4 亿光年范围内的星系中，只有 20% 的星系也具有本动速度的确定值，并且许多标准烛光距离测量值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位置有了新的认识。
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。无论您在地球上阅读这篇文章时移动得多慢或多快，您都与我们星球的其余部分一起以大约 30 公里/秒的速度绕太阳旋转。太阳反过来以大约 200 公里/秒的速度绕银河系中心运行，而包括银河系在内的整个本星系群正以超过 600 公里/秒的速度冲向半人马座方向的一个神秘质量集中区（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——就可以移动得如此之快。
从银河系向外放大，我们穿越拉尼亚凯亚的旅程始于两个矮星系，即“仅仅” 18 万至 22 万光年之外的大小麦哲伦星云。您可以从地球的南半球瞥见麦哲伦星云，但为了获得最佳视野，您必须一直前往南极洲，在冬季期间。肉眼可见的唯一其他星系是仙女座的巨型螺旋星系，尽管它在非常黑暗的天空中只显示为一个模糊的光斑。
仙女座距离我们 250 万光年，正以约 110 公里/秒的本动速度朝我们飞速靠近。大约在 40 亿年后，它将与银河系正面相撞，并将两个星系转变为一个由老红色恒星组成的单一、没有特征的椭球体。我们的太阳系不太可能在这种宇宙车祸中受到影响——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靠近而发生碰撞。银河系、仙女座和另外几十个星系是本星系群的成员，本星系群是引力战胜宇宙膨胀并正在经历坍缩的区域。像银河系本身一样，及其麦哲伦星云，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，在一个大约 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，都居住在名称缺乏想象力的本星系片中。“片”意味着它非常薄——它的大多数星系都在该结构的三百万光年之内，该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，是一条星系丝状结构——狮子座支臂——以及蚁后座和剑鱼座星云中的星系。在平面上方，附近几乎什么都没有。这种空旷是本星系空洞的领域。
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分离，只有局部相互作用引起的小本动速度。在本星系片下方，蚁后座和剑鱼座星云以及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。本星系空洞可能是罪魁祸首。空洞像膨胀的气球一样膨胀，物质从低密度区域移动到高密度区域，并在其边界堆积。我们现在意识到，本星系片是本星系空洞的一堵墙，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到一个直径为 1300 万光年的体积中。这些星系以 700 公里/秒的典型速度呼啸而过，并且任何位于星系团外部 2500 万光年范围内的星系都在向内坠落，并在 100 亿年内成为其中的一部分。室女座的整个领域，即它最终将捕获的区域，延伸到当前的半径为 3500 万光年。有趣的是，我们的银河系距离 5000 万光年，正好位于这个捕获区域之外。
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。大约 30 年前，一群天文学家被冠以友好的绰号“七武士”，他们发现，不仅仅是银河系以每秒数百公里的速度向半人马座方向移动，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，位于一个 1 亿光年宽的球体中。最大的三个星系团被称为矩尺座、半人马座和长蛇座。
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其边界，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-印第安丝状结构和蛇夫座星系团。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。与大多数城市核心一样，很难指定一个精确的中心，但一个近似值将把它放在矩尺座和半人马座星系团之间的某个地方。这个位置使我们的银河系远离郊区，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、5 亿光年宽的边界。拉尼亚凯亚的边界总共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事物的轮廓。在七武士发现巨引源后不久，一个更大的事物从星系际的阴霾中浮现出来。直接位于巨引源区域之后，但距离是三倍，是一个巨大的星系团聚集体——本地宇宙中已知最密集的星系团。由于天文学家 Harlow Shapley 在 20 世纪 30 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。想象一下一个巨大的星系超星系团薄饼，您就可以很好地了解我们的大尺度局部环境。）
那么，是什么导致了我们本超星系团 600 公里/秒的本动速度？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 超星系团的引力牵引，它距离是三倍远，但包含的富星系团数量是四倍。现在，根据 Cosmicflows-2 纲要——揭示拉尼亚凯亚的同一星表——还有更多的故事。该星表中 8000 个星系的本动速度证明了朝向 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，从头到尾 14 亿光年。它会止步于此吗？我们尚不知道。只有更大规模的调查绘制宇宙更大范围的地图才能揭示我们本地宇宙中星系史诗般流动的最终来源和最终结构。