宇宙的结构
宇宙的结构
星系是宇宙的基本组成单元，但是它们不是我们能够看见的最大结构。它们不是孤立的，而是像人类一样组合在一起。用于描述星系在宇宙学距离上分布的术语叫做大尺度结构。这种结构的起源是现代宇宙学的热点问题之一，但解释它为什么成为热点之前，首先需要描述该结构到底是什么。
空间的图案
大尺度上的物质分布一般是通过光谱巡天确定的，利用哈勃定律通过红移估计星系的距离。在那些红移巡天付诸实施的许多年以前，就已知结构的存在。天空中星系的分布是高度不均匀的，这可以在第一个大规模、系统的星系位置探测中看出，而这个探测的结果形成了Lick（里克）星系分布图。尽管这张图确实令人印象深刻，但是没有人能够肯定所看到的结构是否是真正的物理结构或仅仅是偶然的投影效果。尽管我们可以辨识出星座，但是它们之间的物理联系还是无法获知。星座中的恒星距离太阳的远近大不相同。由于这个原因，宇宙结构探测主要依赖红移巡天。
图20 仙女座大星云。仙女座是距离银河系最近的大型漩涡星系的很好例子。并不是所有的星系都是漩涡状的；例如后发富团中所包含的主要是没有旋臂的椭圆星系。
这种方法的一个著名例子是哈佛－史密森天体物理中心（CFA）的巡天，它的第一批结果发表于1986年。这是一个在很窄一条天区范围的1061个星系的红移调查，是从1961年发表的帕洛玛巡天中选择的源。这个巡天项目随后由同一小组扩展到更多的天区。上世纪90年代前红移巡天进展缓慢，且耗费人力，因为需要将望远镜轮流指向每个星系，拍摄一条光谱，计算红移，然后移到下一个星系。要获得几千个红移需要花费数月的望远镜观测时间，由于对资源的竞争，这一般要几年才能完成。最近发明的宽视场望远镜上的光纤设备已经让天文学家能在望远镜同一指向上捕获400条光谱。在最新一代红移巡天项目中有一个被称作2度视场巡天（2dF），由英国和澳大利亚使用英澳天文台的望远镜来执行。最终将确定250,000个星系的位置〔1〕。
图21 Lick（里克）星系分布图。这幅图是通过肉眼非常仔细地在巡天底片上计数得到的，里克星系分布图显示了天空中大约100万个星系的分布。丝状的图案和团块是非常显著的；中心附近的稠密团块是后发星系团。
一般用来描述多个星系的物理聚集的术语是星系团。星系团系统的尺度和成员星系的数目可以有很大的不同。例如，我们的银河系是一个所谓本星系团的成员星系，它是一个相当小的星系团，成员中最大的是仙女座星系（M31）。而另一个例子是所谓的富星系团，如所知的阿贝尔团，在一个仅仅几百万光年的范围内可能包含了几百甚至几千个星系：距我们较近的是著名的室女团和后发团。在这一大一小两极之间星系在密度各异的系统中呈无规则（或按等级）分布。最稠密的阿贝尔团是通过自身的引力平衡而聚集在一起的收缩的天体。欠丰富的和空间较大的系统可能不是靠这种方式组合的，但可简单反映一种星系成团的一般统计趋势。
图22 2dF星系红移巡天。这个巡天仍在进行中，计划测量大约250,000个星系的红移。尽管部分巡天还未完成（译者注：目前已完成），造成图中缺一些区片，我们仍可以看到范围扩展到距离我们数十亿光年的复杂的天体结构网。
单个的星系团仍不是能看到的最大结构。尺度大于约3000万光年的星系分布也显示出相当的复杂性。最近的观测显示，星系并不是简单的，如阿贝尔团那样以类球形的“泡”分布的；有时也以扩展的类线形结构分布，这种称作丝状分布；或者以平坦的薄片状结构分布如“长城”。这是大致的二维星系聚集，1988年由哈佛－史密森天体物理中心的天文学家发现的“长城”的尺度至少是2亿光年乘6亿光年，但是厚度不足2000万光年。它包含数千星系且质量至少是1016个太阳质量。富团聚集成巨大松散的团块叫做超团。我们知道的许多超团都分别包含了10个到50多个富团。最著名的超团是沙普利超星系团，而距离我们最近的是围绕上述室女团的本超星系团，即本星系群运动平面上的平坦结构。超团的尺度已知是3亿光年，包含了大概1017个太阳质量的物质。
这些结构还伴有巨大的，几乎是空的区域，大多数大致呈球状。这些“空洞”包含的星系数目远小于平均值，或者其中干脆没有任何星系。在大尺度红移巡天中检测到不足平均密度10％，尺度达到2亿光年的空洞。若在非常大的尺度上存在星系团和超团，则存在这样大的空洞并不奇怪，因为有大于平均密度的区域就要有小于平均密度的区域。
当观看大尺度结构图时，人们的印象是一个巨大的宇宙“网”，是交错的链和片的复杂网络。但这样的复杂性是怎样出现的呢？大爆炸模型是建立在宇宙是均匀平滑的基础上的，也就是说要求宇宙遵循宇宙学原理。幸运的是，当尺度大于宇宙网时，复杂的结构逐渐消失。这点也被宇宙微波背景的观测结果所证实，微波背景来自宇宙早期，到达我们时大约已经旅行了150亿光年。宇宙微波背景在天空中几乎是均匀的，基本符合宇宙学原理，但并不完全符合。
结构的形成
1992年，COBE卫星配置了灵敏的探测器，目标是探测并绘出天空中微波背景的温度变化。1965年发现的微波背景在空中似乎是各向同性的。后来发现温度在整个空中大尺度上有千分之一的变化。现在知道这是由地球经过大爆炸遗留的辐射场时引起的多普勒效应。地球前进方向的天空看上去比地球离开的方向稍热一点。除了这种“偶极”变化，辐射在各个方向上是相等的。但是理论家们长期以来对微波背景中存在结构——冷斑点和热斑点的波纹图案表示怀疑。COBE发现的图案正是这样，成为了全球报纸的头条。
为什么微波背景不是完全平滑的呢？答案与大尺度结构的起源密切相连，又是引力在其中起了作用。
弗里德曼模型为我们了解宇宙的大量性质是怎样随时间变化的提供了途径。但这个模型又是不现实的，因为它描述的是一个理想的、完全平滑而没有瑕疵的宇宙。这样的宇宙开始时就完美无瑕而且将永远保持完美。但在现实的情况下总有缺憾。有些区域的密度值比平均值稍高，而有些较稀薄。一个略呈团状的宇宙会怎样？答案离理想情况有很大的不同。密度高于平均值的宇宙区域对周围物质的引力拉拽强于平均拉拽，因此将吸入物质而耗尽周围的物质。在这个过程中，它相对于平均值密度越来越大，拉拽也更强。结果是一种团块的失控增长叫做“引力不稳定性”。最终形成了束缚强烈的团块并开始聚集成丝状和片状，就像在宇宙结构图中看到的那样。开始这个过程只需要非常小的波动，而引力就像一个功率放大器，将最初的微小的波纹转变成巨大的密度波动。利用星系巡天可以绘出最终结果；而在COBE图上可以看到最初的微小扰动。我们甚至可以对最初的扰动是怎样留下烙印的作出很好的理论解释，是宇宙暴胀产生了量子波动。
关于结构形成的基本理论已出现了多年，但是由于引力的复杂特性很难将这种理论转变成详细的预测计算。在第三章提到，如果没有简化的对称性，即使牛顿运动学定律方程也是非常难解的。在引力不稳定的后期，没有类似的简化。宇宙中的每个物体都对其他物体有引力拉拽；因此需要了解在每一个地方和每一个物体上的所有作用力。所有的这些力之和是很难用纸笔来解的。
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图23 COBE探测的宇宙背景波纹。1992年宇宙微波背景探测器（COBE）卫星测出天空中宇宙微波背景温度的十万分之一的微小波动。这些“波纹”被认为是形成星系和大尺度结构的“种子”。
在上世纪80年代随着巨型计算机的出现，这一领域获得了加速发展。引力可以形成宇宙结构，这一点已非常明确，但需要宇宙中有足够的质量才能有效地完成这个工作。因为基本核合成理论只允许相对少量的“普通”物质。理论家们假设宇宙是由某种奇怪的暗物质主宰的，它们没有参加核反应。模拟显示这种物质最好是“冷”的暗物质。如果暗物质是“热”的，则它们运动太快而无法形成合适尺度的团块。
计算机出现后的许多年后，一个自下而上的宇宙结构模型最终出现了。在这个模型中，首先是暗物质的小团块形成，这些作为基本单元的小团块结合成更大的单元，然后以这种方式继续下去，最终星系尺度大小的物体形成了。而后气体（由重子物质构成）聚集，恒星形成，于是有了星系。星系继续通过链式和片式聚集形成更大尺度的结构。在这个模型中，结构随时间（或者说随红移）快速演化。
图24 哈勃深场。这是将哈勃空间望远镜指向一个空白的天区拍摄的，这幅图像显示了遥远的大量暗星系。其中一些天体的距离非常远，发出的光需要花超过90％的宇宙年龄那么长的时间才能到达我们。正因为如此我们能够看到星系的演化。
冷暗物质的观点已获得很大成功，但还远不完善。现在还不知道有多少暗物质，也不知道它们的形式。星系形成的细节问题也未解决，这是因为与气体运动和恒星形成有关的流体动力学和辐射过程比较复杂，但是这个领域的工作现在不只限于理论研究和模拟实验。观测技术的突破，如哈勃空间望远镜的研制成功，使我们现在能够看到高红移的星系，因而可精确地研究它们的性质和空间分布如何随时间变化。利用下一代大型红移巡天，我们将获得大量关于星系在空间移动轨迹的细节信息，同时也可获得宇宙有多少暗物质以及星系究竟是怎样形成的等线索。但是问题最终的解决方案，可能不是来自对引力不稳定性过程的最终产物的观测，而且来自对其最初状态的观测。
造物的声音
COBE卫星在结构形成方面是非常先进的，但是这个仪器还是有许多局限性。COBE最显著的缺点是缺少分辨微波背景中波纹的细微结构的能力。COBE的角分辨率只有10度左右，按照天文标准这是非常低的。作为比较，满月的直径约半度。宇宙学家希望在微波天空中的精细结构里找到许多亟待解决的问题的答案。
早期宇宙的波纹是由一种声波产生的。当宇宙还是非常热，温度在几千度的时候，声音在宇宙中回响。现在的太阳表面具有类似的温度且以相似的方式震动。由于COBE的比较低的分辨率，它只能探测到波长非常长的波纹。这些波纹代表了音调很低的声波，是造物的低音符。在这些声波中包含的信息非常重要但十分不详细；它们的声音相当沉闷。
图25 结构形成的模拟。从几乎是平滑的初始环境开始，现代超级计算机可以模拟宇宙随时间向前演化。在室女座论坛中的这个例子中，我们可以看到当宇宙膨胀到原来的4倍时出现成团现象。在最后一帧图上稠密的节点是星系和星系团，而丝状结构让我们想到星系巡天的探测结果。
另一方面，宇宙也应产生更高音调的声音，而这更加有趣。声波是以特定的速度传播，例如在空气中大约是每秒300米。在早期的宇宙，声速应该快很多，接近光速。在微波背景产生的时代，宇宙的大约年龄为300,000岁。从大爆炸时声波首次被激发到宇宙微波背景产生的这段时间，声波只传播了约300,000光年。这个波长的震动产生了特殊的“音符”，如同某个乐器的基调。并非巧合，星系超团大约也是这个尺度；它们正是产生于这个宇宙号角的回响中。
图26 BOOMERANG气球。这张照片显示了在南极施放的气球上做的实验。实验有效载荷位于右侧的车上。这个气球的飞行线路围绕着南极，利用循环风回到施放点附近。南极非常干燥，使其成为地球上微波背景实验的最佳地点，当然如果条件允许，在太空中实验则更理想。
早期宇宙的特征波长应该在微波天空的热点和冷点的图案中显现，但是因为波长相当短，它比COBE能分辨的尺度精细很多。事实上，这些声波产生的点的角尺度大约为一度。因此，从COBE开始，开始了研发探测仪器的竞赛，仪器不仅要能探测宇宙的基本音调也要能探测到更高的和声。通过对造物声音进行详细的分析，希望能回答当代宇宙学面临的许多主要问题。声谱所含的信息包括：宇宙含有多少质量，是否存在宇宙学常数，哈勃常数的值是多少，空间是否是弯曲的，以及是否发生过暴胀。
国际上有两项主要的相关实验，美国国家航空和航天局的MAP试验飞船已于2001年发射而欧空局的“普朗克测量者”预计在几年后发射，它们会绘出极高分辨率的天空波纹的详细图案。如果对这些结构的解释是正确的，我们不久将会对上述问题有确定的答案，我们迫切地期待这一天的到来。
同时，相关线索也强有力地暗示了答案将如何揭晓。两项重要的气球试验，BOOMERANG和MAXIMA已经绘出了小片天空图，只比MAP和“普朗克测量者”的分辨率稍微低一点。这些实验还没有给出确定的答案，但是它们指出宇宙的几何是平坦的。这很容易论证。我们知道声音的特征波长具有可测量的特性。我们也知道这些被观测的声波有多远（大约150亿光年）。因此，如果宇宙是平坦的，我们能够推算出这个声波在天空中的角度。如果宇宙是开放的，这个角度会比平坦宇宙中的小；如果宇宙是封闭的，这个角度会大些。而实验结果暗示了宇宙的平坦性。实验的测量结果与前些章讲的加速膨胀都为宇宙学常数的合理性提供了强有力的证据。确定宇宙是平坦的并且在加速的唯一途径是弄清真空能是否存在。
宇宙结构研究揭示的画面似乎与前面讲过的其他线索是一致的，但是我们仍不知道宇宙如何演化成了现在的样子。解答这个深层次的难题依赖于更加深入地理解物质、空间和时间的性质。下一章将对这些性质进行探讨。
图27 平坦的空间。上方的图显示了BOOMERANG所测量的温度波动的精细尺度图形。下面的模拟图案显示了在封闭的、平坦的和开放的宇宙中所估计的这些波动的角度尺度。最匹配的是平坦宇宙（中图）。如此强烈的对比进一步推动未来的MAP和普朗克测量者以同样的分辨率绘制整个天空的图形。
注释
〔1〕本文提到的能够同时得到400条光谱的望远镜是澳大利亚的英澳天文台的2dF巡天项目的望远镜，而中国自行开发的LAMOST望远镜可以同时观测到4,000条光谱，计划得到总计10,000,000个星系的光谱。
