超星系团的宇宙乐章

http://www.edu-hb.com/Html/201012/18/20101218194902.htm
Bruce Dorminey 文 Shea 编译

　 天文学家正在努力了解宇宙的大尺度结构--它们是如何形成以及是如何影响宇宙膨胀的？

　 在最大的尺度上，我们的宇宙看上去就犹如午后无风的湖面， 平静、波澜不惊。但是在数亿光年或者更小的尺度上，宇宙则呈现出了物质和巨洞之间的随机、混杂分布。这是一个物质会聚集成团的宇宙。

　 虽然巨洞占据了宇宙体积的绝大部分，但纤维状的物质密集区会交织在这些"空空如也"的巨洞周围。犹如蛛网上反射阳光的串串水珠，这些纤维会把发光的星系联接起来。被"粘"在这张宇宙之网上的有单个的星系、星系团以及由星系团组成的更为神秘的超星系团。

　 [图片说明]：宇宙大尺度结构显示巨洞会被纤维状结构所包围，而这些纤维又会连接超星系团。这一数值模拟显示，宇宙并非天文学家原先所想象得那么均匀。那么这一超结构又是如何形成的呢？版权：MPIA/Springel等人。

　 超星系团通常包含有至少8个规模和室女星系团（由约2,000个星系组成）相当的阿贝尔型星系团。事实上，一个"普通"的超星系团通常在直径2～3亿光年的范围内会包含上至大约50,000个的星系。

　 让宇宙学家们感到疑惑的不仅仅是超星系团的样子，还包括它们的形成、演化和相互作用。和超星系团相关的一个最基本问题是，看似随机分布的宇宙物质能告诉我们些什么有关宇宙最终性质或者我们在这个宇宙中作用的信息？

探测结构

　 超星系团存在的首个证据来自18世纪赫歇尔家族的星云巡天。近两个世纪后，当美国加州大学洛杉矶分校的天文学家乔治.阿贝尔（George Abell）在帕洛马天文台巡天照相底片中搜寻星系团的时候，他也发现了超星系团的蛛丝马迹。

　 阿贝尔随后公布了第一个星系团表。虽然据估计宇宙中应该存在数以百万计的超星系团，但现如今天文学家们只发现了其中的几十个。

　 对超星系团如何影响宇宙大尺度结构的研究也在逐渐地取得进展。40年前，科学家们认为，尺度越大，宇宙在各个方向上就越均匀，即"各向同性"。在过去的30年里，宇宙学家在扇形区域中所进行的深空巡天发现宇宙并非如此。

　 从远处看超星系团，它们就像是铁路线上的不同城市。而它们的边界也非常的模糊，因为纤维结构通常会在大范围内把它们联接到一起。

　 因此很难想象一个超星系团的范围，而更难想象的是大尺度结构是如何从时空结构中生长起来的。不过，超星系团是在数千万到数亿光年的尺度上被组织起来的。所以宇宙学家相信，早期宇宙结构中的初始波动和涨落是形成现在我们所看到的星系团和超星系团的种子。

　 当宇宙还非常年轻的时候，它的温度很高，这些大尺度结构的胚胎只不过是宇宙极早期物质中的随机涨落。随后，当引力接管了宇宙之后，物质就会开始在密度较高的地方聚集。但在这之前，涨落就已经存在了。

　 [图片说明]：局部宇宙中的大尺度结构。在2微米全天巡天中共观测了大约160万个星系。在这张全天的星系分布图中，最亮和最近的星系用紫色和蓝色表示，最暗和最远的星系用红色表示。这给出了宇宙的三维的结构。版权：2MASS/T.H. Jarrett/J. Carpenter/R. Hurt。

　 未来的大型射电望远镜阵将能够在大范围内探测中性氢，它们是构筑所有星系的基本材料。通过跟踪氢，宇宙学家就可以一览宇宙早期的结构以及最早的超星系团的形成。

　 天文学家们还希望能用这些望远镜测量出早期星系的红移。星系的红移直接和宇宙时空的膨胀有关，因此这些测量结果可以使得天文学家能够追踪超星系团随着时间的演化，并由此寻找中性氢气体和星系形成之间的因果关系。

　 星系团，例如邻近的室女星系团，自形成过程开始之后的10亿年里它会在自身的引力作用下坍缩。但现在超星系团仍然处于膨胀和形成阶段。事实上，超星系团太大了，它坍缩所需的时间比宇宙的年龄还要长。虽然它们的核心仍有可能会坍缩，但它们的外部区域并不会跟进。

星系长城和巨洞

　 尽管超星系团非常巨大，但它并非是宇宙中由引力维系的最大实体。庞大的"星系长城"才是，而组成城墙的正是超星系团、星系团和单个的星系。

　 对超星系团结构的基本认识在大约30年前就已经明晰。星系的形成始于宇宙中物质最密集的地方，例如超星系团的中心。那里同时也是开启恒星形成的地方。而在超星系团的外围密度则要低得多。

　 20世纪70年代中期，天文学家之间有一场大辩论，超星系团是不是仅仅是由随机分布的星系团在视线上的集中而"造"成的。但在1977年之后，天文学家们一致同意，超星系团是真实的物理系统。天文学家证实，所有的星系都是超星系团的成员。即便是"散居"于巨洞中的独立星系也并不是孤立的，而是某个暗弱的星系系统的一份子。

永恒的运动

　 虽然所有的物质都是永无止境的宇宙之网的一部分，但不管是单个星系还是超星系团都始终是在运动的。例如，大尺度上超星系团可以干扰一个星系由于宇宙自身膨胀而产生的运动（被称为"哈勃流"）。这就像一块巨石会扰乱冰冷的山泉一样。因此，在局部的小尺度上，朝向超星系团运动的星系并不会"随波逐（哈勃）流"。相反，它们可能会朝向我们运动，表现为"蓝移"。

　 20世纪80年代后期，天文学家很想知道大量星系作为一个整体是如何运动。在扣除了由于宇宙膨胀造成的运动之后，他们得到了星系的本动速度。换句话说，天文学家们这时得到的是某个星系相对于其他星系、甚至是宇宙背景辐射的运动速度。举个例子，银河系在本星系群中的速度就由三个不同的分量组成。

　 在局部的尺度上，我们就位于一段包围着巨洞的星系长城之上。巨洞正好和超星系团相反，而银河系就位于一个膨胀着的巨洞的边缘。天文学家发现银河系正在以高速离开这个巨洞。这一运动正是附近的超星系团的引力所造成的。

　 在中间的尺度上，我们正在被拉往距离我们最近的大型物质聚集区--5,500万光年远的室女星系团。而室女星系团又隶属于室女超星系团。

　 [图片说明]：室女星系团是距离我们最近的星系团之一。和本星系群一起，它也是我们所在的超星系团的一部分。版权：Bob Fera, Janice Fera。

　 在更大的尺度上，一个更大的矩尺-长蛇-半人马超星系团正在把我们拉向它。我们的本星系群和室女超星系团都属于它。

　 而矩尺-长蛇-半人马超星系团又正受到位于半人马座南部、6亿光年远的沙普利聚合体的引力吸引。沙普利聚合体的质量是室女超星系团的大约4倍，同时也是已知密度最高的超星系团。

大规模巡天

　 更好地确定超星系团动力学的一个办法就是进行大范围的巡天。最近在澳大利亚刚完成的6度视场星系巡天（6dFGS）覆盖了17,000平方度的天空，即80%的南部天空，为了解南天的大尺度结构提供了最详细的观测资料。虽然观测小组仍在分析数据，但他们报告6dFGS已获得了约125,000个星系的红移，其中还包括了南天400多个阿贝尔星系团。

　 用来寻找星系团的方法类似于"找朋友"。选定一个星系，看看它有没有邻近的星系，然后再看看这些星系周围有没有星系。当星系的周围不再有星系的时候，这就是一个星系团。

　 但在深度巡天的观测资料中重复这一过程则是非常艰巨的。50年前，天文学家对于星系的总体分布一无所知。现在天文学家知道，星系和星系团是物质的高密度集中区。而超星系团并不（仅仅）是星系团的集合，而是宇宙之网中的高密度区。

　 在不久的将来，6dFGS和詹姆斯.韦布空间望远镜的数据将帮助我们更好地了解超星系团。但是还没有任何数值模拟可以重现超星系团的细节。为了完善这些计算机模拟，天文学家需要更好的观测数据。在北天进行的6dFGS将会对此有所帮助。

　　[图片说明]：6度视场星系巡天所观测到的星系分布图。版权：6dFGS。

　 另外，一个新的巡天计划也将加入其中。美国夏威夷大学主导的全景巡天望远镜和快速反应系统（Pan-STARRS）是到目前为止视场最大的光学巡天，一旦在2013年完全投入使用它可以覆盖75%的天空。Pan-STARRS将会大大增进我们对50亿光年内星系三维结构及其周围大尺度结构的认识。

自相似宇宙？

　 90%的宇宙由巨洞占据，其余10%则是纤维结构和超星系团，这意味着什么？答案可能在于"分形"。虽然类似Pan-STARRS这样的深度巡天应该会给出一幅有关超星系团究竟在天空中是如何分布的全局图像，但在相对较大的局部尺度（1～3亿光年）上宇宙是呈现出分形结构的。

　 简单地讲，分形是一种描述在不同尺度上重复自身不均匀形状的数学方法。它无限复杂，却又具有自相似的结构。分形的例子包括树木的分支结构、珊瑚礁、人体血管系统、海岸线、石头和金属碎片、山脉、雪花和超星系团。即便分形无法揭示出这些结构的形成过程，但它着实为我们提供了一个审视宇宙是如何组织起来的新视角。

　 几年前，宇宙学家说分形并不适用于宇宙。但是现在他们改变了想法，不过依然认为对于无限小和无限大分形仍不适用。

　 然而，虽然绝大多数宇宙学家并不赞同，但正如一些宇宙学家现在所相信的，如果宇宙是无限的，那么分形最终也许会被证明可以延伸到无限的尺度上。即使宇宙的某些"切片"具有分形结构，它仍然告诉我们宇宙是有规律的。

　 自然法则会在极为不同的条件下起作用，而书写下这些法则的正是数学和物理。看似完全没有规则的事物，事实上是非常有规律的。同样的，我们的宇宙也受到这些最基本规律的支配。不过究竟是什么样的物理规律造就了这些分形结构目前还不得而知。

大图画

　 对于那些愿意从哲学层面来思考宇宙的人来说，将宇宙最大尺度的分形结构和岩石碎片联系起来着实是一件伤透脑经的事情。即便如此，理论天文学家和观测天文学家仍将会继续进行更为深入的巡天观测和更为全面的计算机模拟，以此来帮助他们至少了解另外两个难题。

　 宇宙大尺度结构真的能被了解吗？大尺度结构对于生命的出现起到了什么作用？

　 天文学家相信，关于宇宙大尺度结构形成和演化的细节将会在几十年之内取得突破。但要搞清楚宇宙大尺度结构和地球上生命之间的联系则要花更长的时间。

　 在此期间，宇宙组织结构的细微之处仍将是耐人寻味而又不可思议的事情。

（本文已刊载于《天文爱好者》2010年第5期）
不好意思图片未传