宏大的「星系長城」

茫茫宇宙無邊無垠，耿耿星辰變化萬千。人們自然要問：宇宙到底有多大?它的結構和運動如何?這是人類至今未揭開的謎。

在16～18世紀全球大探險的年代，探險家們深入遼闊的海洋和未知的新大陸，逐漸知道了關於海洋和陸地的更多知識，最終繪製出了詳盡準確的世界地圖，大大加快了征服地球的進程。今天，人們探索的前沿已遠遠超出海洋的浪頭。像我們的先人那樣，我們必須再一次繪製出未探明的大片領域，那就是宇宙。繪製宇宙地圖已經成為現代天文學最大的挑戰之一。

長達數億光年的「星系長城」

今天，我們測知太陽系的直徑約有120億千米，而銀河系的直徑有8．15萬光年。銀河系中像太陽這樣的恆星約有2000億個。

銀河系已經夠大的了，可是，在宇宙中，像銀河系這樣的星系，僅觀測所及的數量多達千百億個，我們叫它河外星系。星系有成團的傾向，如銀河系和仙女座星系等40多個星系組成本星系群；一般的星系集團叫星系團。星系群和星系團又結合成超星系團。如本星系群屬於以室女座星系團為中心的本超星系團。

超星系團還不是最大的群體，在距銀河系約2億光年的地方有一個巨大的引力源，它牽引著本超星系團，這個「大牽引者」可能是許多超星系團組成的超星系團集團。除星系外，宇宙中還有星雲、類星體、暗物質和黑洞等。我們現在探測到的星系、星雲或類星體，離我們最遠的，已遠遠超過150億光年的距離，但那裡仍然不是宇宙的盡頭。

在這樣宏大的宇宙中，我們必須知道這些星系的分布規律，否則繪製宇宙地圖就無從談起。

上世紀80年代，天文學家瑪格麗特?蓋勒和約翰?休希拉等人在觀測宇宙中星系的分布圖景時，他們原來想像的是，他們將看到星系和星系團均勻地分布在天空，就像少量的葡萄乾均勻地分布在葡萄乾麵包里那樣，因為那時的科學家普遍相信我們的宇宙是一個紋理勻稱的宇宙。

但實際上，這兩位天文學家被他們看到的奇特景象驚呆了!他們看到宇宙中的天體不是均勻分布的，而是各超星系團間形成了海綿狀的泡沫結構，泡沫之間的星系聚集成像長城那樣的條帶狀，而星系之間的區域卻是空無一物的天區——它們被廣闊的空曠地帶和巨大的隧洞所分隔開!他們還觀測到一個在空間蜿蜒延伸數億光年的星系「巨壁」。因為這種呈帶狀的星系「巨壁」的結構如同長城一般，長7．6億光年、寬2億光年、厚0．15億光年，他們便取了一個「星系長城」的雅號。

宇宙有一個等級複雜的結構

蓋勒及其合作者們遠不是注意到宇宙中大尺度結構的第一批人。早在上世紀50年代，法國天文學家沃庫勒就發起了一場關於他建議的星系和星系團屬於更大的天體集團「超星系」(現在稱為超星系團)的大爭論。當時，大多數天文學家相信星系團是可能的最大的天體集團。他們認為，引力理論，如愛因斯坦廣義相對論所表達的形式，不利於更大天體集團的形成，擴展得更大的結構只能通過引力鬆散地聯繫在一起，宇宙的膨脹將把它們拉開。因此，這種結構的壽命只能是短暫的，今天的宇宙中不會存在這樣大的結構。

但經過多年的觀測資料積累，國際天文界漸漸接受了宇宙中存在著「星系團的集團」這個事實。我們的本星系群被證明是一個叫做本超星系團的一部分，該超星系團在空間伸展1億光年，室女座星系團位於其中心。人們還發現了許多其他超星系團，帶著它們串起來的「念珠」，交叉在宇宙中。

最新的觀測再次證實了「星系長城」的存在。一項名為「斯隆數字天空觀測計劃」的項目(其目標是利用新墨西哥州阿帕奇角天文台的大型望遠鏡，繪製出橫跨四分之一天空的一百多萬個星系的圖譜)發現了迄今太空中最宏偉的結構——一道長達13．7億光年的「星系長城」，13．7億光年的長度是個什麼概念呢?在理論上我們能夠看到的整個宇宙的大小恰好在137億光年左右，這就是說，這條「星系長城」綿延達整個宇宙的1／10這次的發現使蓋勒等人發現的「星系長城」頓時變成黯然失色的矮子。

正如一個成長的兒童逐漸明白了較大單元的人類組織——家庭、鄰里、城市等等——天文學家們在過去幾十年間逐步認識到星空的等級式安排。今天，大多數天文學家已經接受了下列事實：所有星系並非均勻地分布在宇宙空間，宇宙有一個等級複雜的結構，有點像肥皂泡一般，在泡的中間是廣闊的真空空間，叫做「宇宙空洞」，而在泡的壁上分布著各個星系。描述這些結構的名詞如「纖維」、「氣泡」、「薄片」及「空洞」等，已成為天文學家經常使用的辭彙了，他們不再爭論宇宙是否有大尺度結構，而是在尋求理解這些結構的來源和性質。

結構成因探討

根據現在比較公認的理論，宇宙是由大爆炸產生的，即從「無」逐漸擴大。大約在137億年前，我們的宇宙剛剛誕生，是一個溫度極高、壓力和物質密度極大的混沌火球(不妨叫它「宇宙蛋」)。所謂物質，只不過是一些光子而已，然後逐漸形成各種基本粒子，成為現在各種物質的構成材料。巨大的壓力使宇宙急劇地膨脹(即大爆炸)，宇宙溫度則因膨脹而逐漸降低，物質凝聚成一團團星系雲，星系雲又一步步分裂，凝聚成一個個恆星，恆星周圍的剩餘物質又逐漸凝聚成行星和衛星。這些天體不是分散的，許多恆星聚集成星系，星系又聚集成星系群，進而是星系團、超星系團，還有更大的群體。這些群體也不是均勻分布的，有些區域非常密集，形成「星系長城」，有些區域非常稀少，形成「宇宙空洞」。宇宙天體可能就是這樣一種「泡沫結構」。

為了進一步分析「星系長城」的形成原因，科學家們提出了三種宇宙結構形成的模型。三種模型的不同之處，在於它們對以下問題的答案：誰先出現，是星系還是更大的結構?上世紀70年代初期，前蘇聯科學家澤多維奇提出了「薄餅模型」。薄餅模型是自上而下的理論，它支持下列觀點大結構，如薄餅和氣泡是先產生的，然後這些大結構裂開，成為超星系團、星系團，最後出現星系。特別是，在澤多維奇的理論中，早期宇宙內充滿了大而平坦的物質扁塊——「薄餅」，它們最終碎裂為較小的斷片，這些斷片再演化成星系。澤多維奇的模型對為什麼星系排列成長串和薄片說明得很好：這些結構是原始「薄餅」的遺物。

第二種模型叫做等級式成團模型。在倡議者中，有美國普林斯頓大學的天體物理學家皮伯斯。在這個自下而上的模型中，從氣雲凝聚而成的星系首先在原初宇宙中形成。隨著宇宙的發展，許多這樣的星系互相接近到足以彼此發生引力拉曳。很快星系群互相接近，形成星系團，然後超星系團出現了。就像冬天的風把雪刮成雪堆，同時也使有些地方沒有了雪一樣，在空間形成了空洞，那裡的物質被引力吸走了。

第三種模型我們稱之為分形結構。分形是自相似的物體，也就是說，在所有觀測的尺度，它們看上去是一樣的。它們和俄羅斯的彩色套娃一樣，一個套在另一個裡面。按照分形接近，結構的多層次，從星繫到星系團到超星系團，是同時產生的。超星系團的形成過程明顯地與星系的形成過程一樣——只不過是在較大的尺度上罷了。

宇宙的整體形狀又是什麼?

宇宙自從大爆炸之後，就一直在不斷膨脹，有許多證據表明，宇宙還在繼續膨脹。目前我們探測到的最遠天體，已超過120億光年，但那裡仍然不是宇宙的盡頭，宇宙似乎有無限的空間。不過，多數科學家趨向於認為，「宇宙有限，但無盡頭」。因為如果宇宙確實是由大爆炸從「無」膨脹起來的，它不可能是無限的，只能是一個有限的三維空間，就像膨脹的氣球總有一定的體積，威力巨大的氫彈爆炸總有一個可算出的影響範圍一樣。但是，宇宙確實沒有盡頭，我們無法說明哪裡是宇宙的天涯海角，也找不到宇宙的邊緣。

這怎麼理解呢?讓我們先來看看地球的情形。從地球上的任何一點一直向前走，我們找不到任何地球的邊緣，但最後可以回到原來的出發點。這說明地球沒有盡頭，但二維空間的地球表面卻是有限的。以此類推到三維空間的宇宙，不管從上下、左右、前後哪個方向前進，我們找不到宇宙的任何邊緣，但可以回到原來的出發點。這說明宇宙是有限的，但沒有盡頭。當然，還沒有人從宇宙中一點出發，又回到了原來的地方。這就只能靠未來的科學技術去驗證了。

根據「有限，但無盡頭」的理論，宇宙是個什麼形狀呢?最簡單、最容易想像的形狀是球形，其次是輪胎形，或叫甜麵包圈形、環形；再就是一個瓶嘴彎過來插在瓶身上的形狀，即克萊因瓶形。目前科學家的探討認為，宇宙的形狀可能是這三種形狀之一。當然，宇宙的實際形狀也可能是與以上三種形狀截然不同的形狀。

宇宙到底是什麼形狀，這要靠未來的科學技術去揭曉。不過有一點是清楚的，宇宙的形狀只能從理論上去確定，因為我們不可能跑到宇宙之外去觀測宇宙。

宇宙今後的發展有兩種可能，即繼續膨脹下去或到一定的時候轉而收縮。不管是哪種發展，都將走向死亡，但科學家們也不知道宇宙還有多少壽命，應該會是一個很大的數字，或許是億億億年吧!

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