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从太空寄张明信片回家:你的宇宙地址是?


2020-06-17


翻译:李沃龙

想像你自己前往某个遥远的星系,寄一张明信片回家。地址的顺序从街道门号、城市名称及其所在国家,到标明地球和太阳系,接下来是太阳所属的猎户座分支(位于银河系「郊区」的一段旋臂上),再填上银河系和本星系群。

本星系群位于室女座星系团的外缘,聚集超过50个星系,扩展绵延700万光年。室女座星系团的範围更广达5,000万光年,拥有超过1,000个星系,但仍远不及蔓延一亿光年、包含数百个星系群的本超星系团。一般认为宇宙最大尺度的结构就是由超星系团组成,例如庞大不规则的细丝(filament)以及幅员宽广的星系薄片(sheet),周围是不含任何星系的空洞(void)。

一直以来,我们的宇宙地址都只写到本超星系团为止。超过这个尺度,方位就变得毫无意义,那些捲缩起皱、镶着星系的薄片和空洞之外尽是均匀的宇宙。但2014年,本文作者之一杜里的研究团队粉碎了传统的观点,我们其实身处更加宏伟的结构,本超星系团不过是更巨大超星系团的一小部份。这个结构拥有10万个大型星系,延伸近四亿光年。该研究团队将其称为「拉尼亚凯亚」(Laniakea),也就是夏威夷语中的「无尽的天堂」,藉此向依靠星象在广阔太平洋航行的玻里尼西亚人致敬。银河系距离拉尼亚凯亚的中心相当遥远,我们位在最外侧的穷乡僻壤。

拉尼亚凯亚的发现,不只是更新了我们的宇宙地址。科学家研究此巨大系统的构造与动力学性质,可以更加认识宇宙的演化方式;科学家描绘组成星系的分布与运动,可以了解星系形成与成长的过程,以及更多关于暗物质本质的知识;天文学家相信这种不可见的物质佔了宇宙物质的80%。

拉尼亚凯亚也有机会帮助我们解开暗能量之谜。科学家直到1998年才发现宇宙加速膨胀,暗能量可能驱动这个现象,也主宰了宇宙的命运。此外,我们的宇宙地址可能还不完整,还有更巨大的结构等待我们发现。

循着星系流探索

发现拉尼亚凯亚其实是一场意外。杜里的团队本来正尝试解答一些宇宙本质的问题,而拉尼亚凯亚就在过程中逐渐浮现。

一个世纪前,科学家就知道宇宙正在膨胀。宇宙就像逐渐胀大的气球,表面上的每个点都是星系,间距越来越大,星系益发远离彼此。不过最近数十年科学家发现,大多数星系不像预期的那样迅速远离,宇宙膨胀似乎不是星系唯一的动力,周遭物质的重力也会改变星系运动,甚至足以抵消大範围宇宙膨胀的影响。这股周遭物质对星系运动的影响,就是所谓的本动速度(peculiar velocity)。

从太空寄张明信片回家:你的宇宙地址是?

如果考虑所有恆星、气体与一般物质,计算出的星系本动速度只有观测值的1/10。天文学家因此把一些必须存在、却探不出底细的重力源称做「暗物质」。我们假设暗物质只透过重力与其他物质作用,与电磁力和其他作用力无关。考量暗物质施加的重力,可解释本动速度观测与理论上的落差。科学家认为星系就像被一池暗物质包围:暗物质如同隐形支架,支撑着星系的聚合。

杜里与其他研究团队都理解,只要绘製出星系流与本动速度的关係图,就能揭露暗物质在宇宙中的分布;检视这些神秘物质对星系的影响,便可找出这些物质分布最密集的区域。举例来说,如果发现大量星系全都朝向某特定地点运动,我们就可假设该区域的物质密度极高、重力极强,会吸引星系。

该研究团队也认为,若能弄清楚宇宙中所有物质的密度分布,将有助于解决另一桩更深奥且违反直觉的秘密:宇宙加速膨胀。想像你朝着天空丢掷石头,石头不落回地面却直上天际。这个诡异现象的来源称为「暗能量」,对宇宙的命运有深远的影响。加速膨胀代表宇宙将无法逃避冰冷的死劫。最终的黑暗降临前,大多数星系以越来越快的速度彼此远离,直到所有星系的恆星都孤寂死去,物质的温度也都降到绝对零度。

要确认宇宙的未来是否真的如此寒冷寂寥,除了掌握暗能量的本质,更需要知道宇宙中物质含量的多寡。假如物质密度够大,重力或许能在遥远的未来逆转宇宙膨胀,让空间收缩;或者物质密度可以与宇宙膨胀达到平衡,空间因此进行无止境的减速膨胀。

也就在绘製星系流的轨迹图以了解宇宙物质分布时,我们看到了拉尼亚凯亚。


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