星空茶话会丨我们的宇宙新地址

腾讯太空 · 公众号 · 探索 · 2019-11-09 21:05

正文

我们的星系和它的邻居们在宇宙中以每秒几百千米的速度移动着！这个观测结果从20 世纪60 年代初便被发现了，但当时的天文学家还不能为这个现象提供一个完美的解释。90 年代，美国的一个团队认为这种移动是由一种巨大的质量引起的，即“巨引源”。不幸的是，由于巨引源所处的位置，我们很难对其进行观测。

然而里昂的天文学家做到了！通过对巨引源的研究，我的团队发现了我们所在的这个超星系团，并将其命名为拉尼亚凯亚超星系团。

No.1

我们的宇宙新地址

从2014年9月4日起，我们正式有了新的宇宙地址！这天是我们宣布发现拉尼亚凯亚的文章发表在《自然》期刊上的日子。迄今为止，拉尼亚凯亚超星系团是我们已知的、人类所处的最大的宇宙结构。拉尼亚凯亚这个词起源于夏威夷语“无尽的天空”之意。实际上，这个尺度大到我们难以理解：它的直径大约为5亿光年，也就是光需要花5 亿年才能从它的一端传播到另一端。它包含约10万个与我们的星系规模相似的星系，以及100万个更小的星系。这相当于包含了约1亿亿个太阳！这就是我将向你们讲述的拉尼亚凯亚超星系团的发现过程，我们为之付出了诸多努力。

图注: 左上为“太阳系”、右上为“星系”、左下为“宇宙结点”、右下为“超星系团（拉尼亚凯亚）”

No.2

什么是宇宙全景图

宇宙学是天文学中的一大分支，主要研究大爆炸之后的宇宙结构和宇宙发展过程。为了实现这个目标，宇宙学家首先需要确定目前宇宙中存在的天体结构，并由此推断它们是如何相互影响的。这个过程能够帮助我们追溯并绘制宇宙编年史：从物质分布得更加均匀的宇宙初期，一直到现在这些复杂结构的形成。宇宙学家在某种意义上相当于宇宙的“历史地理学家”，他们可以从事的工作涵盖了从纯理论到实验科学的不同领域。在这些领域之中，我所研究的是“宇宙结构学”，也就是为我们的宇宙绘制地图。更具体地讲，我的工作是确定我们周围星系的位置及其运动情况。这个领域的研究范围，用天文学术语来说是近域宇宙。有趣的是，这里说的“近域”可是距离地球数亿光年的地方了！不仅如此，我们观察本星系群时看到的可见光竟然在恐龙存在的时候就离开这些星系了！我们用“近域”这个词来形容我们所在的区域，是因为即便是我们绘制的最大的宇宙图也仅仅包括了可观测宇宙的一百万分之一。

当我去学校向学生们解释我的工作时，他们从来没问过“为什么”我们要绘制宇宙全景图，而是问“如何”才能完成这项工作。我认为这才是真正重要的地方。因为“为什么”的答案显而易见：我们需要一张地图来知道我们到底在哪！知道我们的位置，难道不是确定我们即将前往哪里的必要条件吗？并且这可以让我们知道我们从哪儿来，或者说我们是谁？而关于“如何”完成这项工作，答案就复杂得多了，并且这会引出其他很多问题。当代天文物理学家是如何工作的？他们还是像400 年前的伽利略一样盯着望远镜吗？他们需要爬完世界上所有的山来收集新的数据，通过分析和模型拟合来进一步拓展我们的认知吗？更确切地说，我作为大学教授的工作包括什么呢？我需要白天授课然后夜晚观测吗？我的日常工作中，借助计算机程序收集和分析数据是一个很重要的环节。而要回答“如何”这个问题，就需要解释我的研究方法：天空区域的选择。圆弧形的天球面包括两个维度：望远镜指向的方向和估测想要研究的星系的距离，这两个维度可以帮助我们找到第三个维度。然后我们要借助不同的方法来推导它的速度，从而建立环绕我们这个空间的全新移动宇宙图—我们叫它“动态图”。学生们经常向我抱怨：“仅凭这些我根本无法想象你平时是怎么工作的！”

No.3

看到立体的天空：第三个维度

你一定见过业余版的宇宙图，但是当你试图在夏日的夜晚向你的同伴形容某个有趣的天体在哪里的时候，最大的困难就是让他准确找到那个目标—那个小家伙虽然明亮，却迷失在上百个像它一样的发光体中。然后这个原本有趣的话题很可能就变成了一大堆让人头疼的复杂解释，这时你大概就该后悔没成为一名受过专门训练的天文学家了。天文学家可以准确描述某颗星所处的天空，这让问题变得简单多了。在我们了解将天球分区成一个个星座的重要性之前，其他人一定也遇到过类似的麻烦。天球就是有着无限半径的、以地球为中心的球体，宇宙中所有天体都像是被挂在上面一样。星座是在天球中彼此接近的天体，我们将它们随意地连接起来，绘制出引人遐想的形状。此外，虽然国际天文学联合会已经由官方认定，将天球面分成了88 个星座，以此来保证每个天体只属于一个星座，星座的定义在不同的文明里仍是不一样的。所以为了更加精确，天文学家用画十字的方法给天球分区：一系列虚圆环经过南极和北极，另外一系列虚圆环和赤道平行，就像是地球上的经纬线一样。然后他们用每个天体在这个格子里的坐标进行定位。所以在赤道坐标系中，一个天体的方向由两个角度决定：它的赤纬对应一个点在地球上的纬度，赤经对应这个点在地球上的经度。

无论是非常精确地使用坐标还是使用星座，定位研究中都存在一个重要的问题：两个在天球面上极其接近的天体，比如两个属于同一星座的天体，真的离得很近吗？首先，答案是否定的！我们几乎无法跨越的障碍，是将投影在天球面的二维坐标转换成三维的实际位置。这个缺失的第三个维度是深度，也就是我们所观察的天体的实际距离（见图1-4）。在日常生活中，我们并不会在判断物体的距离上遇到困难，因为深度的信息已经被我们的大脑自动处理了。这个任务对我们来说很简单的原因有两个：首先，我们已经知道了物体的实际尺寸，因此通过看到的大小就可以估计它的距离；其次，物体距我们的距离和我们双眼之间的距离是属于同一个数量级的，大脑可以通过双眼同时获取两个分离的点的位置，在固定的背景上估计这个物体的距离，这个方法叫作三角测量原理。

图注：猎户星座在天球面上的投影和三维图像

但是，测量“挂”在天球上的发光体的距离是一件和前述的方法完全不同的事情！对于我们而言，天体的实际大小通常是未知的：宇宙中存在着大小各异的行星、恒星和星系，我们很难给每个物体定义一个标准单位。不仅如此，这些大小各异的目标离我们太遥远了，远到看起来都只是一个点。即使在地球的两端放两个望远镜来模拟我们的双眼，也无法用三角测量原理测量距离。因为相较于宇宙中的距离，地球实在是太小了。所以宇宙图是一项极具开创意义的发明，它不仅解决了这个难题，还让我们可以测量第三个维度—深度。根据图中比例尺的不同，所使用的测量方法以及得到的距离的精确度也是不一样的。整体来讲，距离越远，精确度越低。而这些正是我们这些天文学家所必须面对的挑战。

实际上，得到离我们很近的天体的第三个维度并不复杂。所以太阳、月亮的大小以及它们与我们的距离早在古希腊时代就已经被估算过了。公元前3 世纪，阿里斯塔克斯用非常简单的几何关系估测出地球和月亮的距离等于40 倍地球半径（精确的数值是60 倍），而太阳与我们的距离是月亮与我们的距离的20 多倍（精确的数值是400 倍）。这些误差是由于古代测量角度的方法精确度很低造成的，但是他所使用的分析方法是完全正确的。当代天文学已知的地月距离是精确度最高的，因为20 世纪70 年代时执行“阿波罗”任务的宇航员在月球上放置了很多小镜子。如果你经过格拉斯（Grasse）附近，可以在卡伦（Calern）高原观察到一道指向天空的绿色激光，它是从蓝色海岸天文台的一个望远镜上发射出来的。但是天文学家为什么要向月球发射激光呢？他们难道想铲除某些邪恶的外星生物吗？当然不是，月球上除了荒野般遍布直径小于1 米的岩石、沙子、细小的灰尘和其他衍生物以外，什么都没有。激光发射器以固定的时间间隔从天文台向月球发射极细的光束，这束光将被月球上的镜子反射然后重新回到天文台。从发射到再次接收到这束光的时间大约为2.5 秒。通过测量光往返地球和月球之间所用的时间，我们可以以高达厘米级的精确度计算出我们的星球和它唯一的天然卫星之间的距离。

No.4

亮度—测量距离的关键

确定造父变星的周光关系是什么意思呢？造父变星是生命即将终结的巨大恒星。因为核“燃料”燃烧殆尽，造父变星的亮度会随着时间产生微弱而规律的变化，这个变化周期的长短各有不同，短则几日，长达数月。我们将它们称为“造父”，是因为这种天体的原型是仙王座的造父一，当然我们也可以给它们取别的名字。一开始它们被称为

“变星”，北极星就是这样一颗变星。周光关系还可以被描述为：天体的亮度随着其变化周期增长而提升。如果一个造父变星的亮度相对较高，那么它亮度变化的频率就相对较低。这个观点是由亨丽埃塔· 莱维特提出的，是我们在估测天空深度的探索过程中至关重要的转折点。1907年起，莱维特巡视了无数小麦哲伦云的照片。大麦哲伦云和小麦哲伦云是我们银河系的小型伴星系，在16 世纪初被正在环球旅行的航海家麦哲伦命名，我们可以在南半球用肉眼看到它们。然而100 年过去了，我们竟然还不知道麦哲伦云位于银河系之外！亨丽埃塔· 莱维特确定了小麦哲伦云的造父变星的周光关系。而沙普利则通过测量一个已知距离的造父变星的周期确定了这颗恒星的绝对亮度，为天文学做出了卓越的贡献。他还通过莱维特的工作推导出了周期和绝对亮度之间的关系。

我们现在仍然在使用这个方法，但仅限于距离较近的星系。实际上，变星非常罕见而且亮度相对较低。我们需要在星系中确定造父变星的位置，通过周光关系测量它的周期来确定其绝对亮度（即以瓦为单位的光强），然后通过比较变星的绝对亮度和视亮度（我们在地球上接收到的光通量，以瓦每平方米为单位）来计算星系的距离。20 世纪20 年代时，埃德温· 哈勃利用威尔逊山天文台上一台当时世界上最大的望远镜，通过这个方法第一次确定了河外星云的距离。这个发现印证了200 年前康德的猜想：宇宙中存在其他的“宇宙岛”。我们的宇宙大冒险终于可以开始了！数年后，哈勃还取得了一些其他重要成果，其中最为著名的是，他发现了一个非常简单的通过远距离星系的运动估测其距离的方法，详细内容我将在之后的部分为大家解释。

No.5

通往未知的第一步

1992 年，22 岁的我在研究生即将结束时以实习生的身份加入了里昂天文台乔治· 帕蒂雷尔的团队。从1970 年起，

里昂的天文学家就致力于收集数据，想要确定近域宇宙中星系的距离。乔治与来自巴黎默东的两姐妹吕西安娜· 古盖内姆和吕塞特· 博蒂内利合作，主要在索洛涅的南赛观测基地进行射电天文学的观测活动。1983 年，乔治决定成立自己的公司，用于收集所有已知的数据。这些数据不仅是他自己观测到的，也包括其他来自别的观测者的公开数据。世界上第一个河外星系数据库—里昂-默东河外星系数据库（Lyon Extragalactic DAtabase, LEDA）就这样诞生了。现在，这家被命名为HyperLEDA 的公司和美国国家航空航天局（NASA）河外星系数据库（NASA IPAC ExtragalacticDatabase, NED）都是具有世界级影响力的资源库。

这些新的河外世界的发现立刻吸引了我的注意力，我开始如痴如醉地阅读与近域宇宙大结构相关的科学文献。这些文章带领我穿越到了银河系之外的世界，我想象着这个被天文学家命名为本星系群的宇宙一隅—我们的星系和它的两个邻居：仙女星系和三角星系，以及作为它们卫星的矮星系在共同运转着，像是一位伫立在缓慢移动的庭院中优雅的皇后。不仅如此，我还看到仙女星系在向我们不断靠近，这很危险！

矮伴星系就像行星环绕恒星一样，围绕着银河系旋转。现在我已经远离本星系群，位于近域巨洞的边缘了。我想象自己正在以接近光速的速度翱翔，可即便以这样的速度穿梭着，我们的旅程依旧十分漫长……在“走”过了5000万光年之后，我被眼前的壮观景象惊呆了：上千个巨大的星系使得这片天空像是高峰时拥堵的道路一样。现在我身处室女星系团中，这里比我们的本星系群和它的邻居们看起来壮观得多。继续向后退，我观察到了几个孤立星系和场星系，通过这些道路连接星系团。就像我可以在夜晚观看高速路上的车灯，连接起一座都市的邻近区域一样。天炉、大熊和其他星系团共同组成了著名的“本超星系团”，这个超星系团看上去像是要将它的宇宙纤维延伸到长蛇-半人马超星系团那里一样。更远一点的英仙-双鱼超星系团、后发超星系团和孔雀-印第安超星系团以长达数亿光年的半径环绕着我们，大致勾勒出我们近域宇宙（见图1-9）的边界……现在我已经头晕目眩了。

图注：近域宇宙放大图

我觉得最初绘制宇宙全景图的天文学家也像我一样幻想过这样的星际旅程，比如移居到美国的著名法国天文学家热拉尔· 德· 沃库勒尔。他于1953 年发表了证明本超星系存在的论文。在我们发现拉尼亚凯亚超星系团之前，本超星系被重命名为本超星系团。不仅如此，在我们研究星系分布的时候，这个旧的超星系坐标系仍在使用。这些建立在本超星系团的坐标轴的形状接近于平面。20 世纪60 年代时，唐纳德· 沙恩和卡尔· 维尔塔宁首次总结并发表了他们统计的二维星系数据：那些遥远的星系似乎聚集成很大的结构，被我们以较原始的方式用它们所在的天球星座的名字命名—长蛇座、半人马座，等等。在第一次观测中，研究者并未辨识单个星系，只是计算了它们在各个天球坐标网络中的数量，并没有被单独区分。1986 年，巴黎天文台的瓦莱丽· 德· 拉帕朗（见图1-10）、美国天文学家玛格丽特· 盖勒以及约翰· 修兹劳绘制出了第一幅涵盖了天球一小部分的三维宇宙图，外观呈扇面状。与此同时，他们还发现了第一个由星系组成的大型结构，并将其命名为“长城”（巨壁）。这个结构足足长5亿光年、高2亿光年、宽1500 万光年之大！更令人吃惊的是，他们证明了近域宇宙由一个个泡状的结构组成：空穴区被星系形成的墙像长城那样环绕着。

No.6

编织我自己的茧

我的第一项工作是将LEDA数据库中极其分散的数据统一。实际上，这个数据库中的数据是由不同团队用不同的仪器、不同的方法观测并分析出来的。比如，天文学家经常使用哈勃常数来估测星系的距离，但是这个常数并不是确定的。因此不同团队所采用的不同数值会造成估算结果的差异。更简单的方法当然是我们自己来完成这些观测，这样的话，所有测量细节都是已知的了。但是时间有限，当代科研团队可以测量的星系时间只有十几年，当然部分可能长达几百年，但是不会再多了，而这仅仅是瀚海一粟！不过当科学家举行会议的时候，他们可以更高效深入地了解其他团队使用的研究方法，并将其和自己的相比较，从而统一研究结果。不幸的是，这种团队之间的信息交换有时是不现实的。在这种情况下，我们必须等待观测数据被充分分析，并且相关成果被发表在专业期刊中后，再收集数据。有时我们还需要等待这些数据被公开，就像被某个实验室单独开发的药物的化学方程式一样。天文学中不存在一个规定的标准期限，所以我们的等待时长往往取决于所使用望远镜的相关条例。

在将全部可用的测量数据统一化之后，我们还需要重新分辨并剔除那些精确度不是很高的数据。这些工作一旦完成，就可以绘制我的第一份宇宙图了。为了更好地了解这些结构，我创造了一套自己的算法，它可以从不同的角度展示这张图—这就是我为了将数据可视化所做出的第一次尝试。20世纪90年代初期，图像的交换并不像现在这么简单。我还记得为了让其他学者看到这个河外星系图，我们把计算机屏幕拍下来，然后将相片打印在透明的塑料页上，以便于在会议中进行投影。虽然图片的质量非常一般，这些投影片仍帮助我们和其他学者顺利交换了信息，我们也通过它们确定了星系的主要结构。更重要的是，乔治对我第一份科研成果的认可给予了我无限的信心和动力，这些鼓励至今还在支持我不断前进。我曾经绘制的第一份星系分布图中描述的结构和我们所预测的并不一致。接近我们的室女超星系团位于一个巨大泡状结构的中央：巨壁、英仙-双鱼超星系团和孔雀-印第安超星系团将我们环绕起来，形成了平滑的三维结构，像“茧”一样将我们与宇宙的其他部分分隔开来（见图1-11）。因此乔治和我一起将我的第一个成果命名为“茧”，以此向里昂的传统特产—丝绸致敬。

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