融合了天文學(xué)、天體物理學(xué)以及宇宙學(xué)，科學(xué)家們正在探測我們所處的這張“宇宙之網(wǎng)”。
整個(gè)宇宙就像一張復雜的網(wǎng)，所有的恒星和星系都附著(zhù)在它之上。詩(shī)人們也許會(huì )因此吟唱，但是在這些華麗的詩(shī)篇中卻保藏著(zhù)科學(xué)家們對宇宙的認識。揭開(kāi)這張“宇宙之網(wǎng)”將會(huì )是天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們的下一個(gè)巨大挑戰。
宇宙之網(wǎng)是構筑宇宙的框架。它主要由占宇宙物質(zhì)85%的暗物質(zhì)構成，但是這些暗物質(zhì)除了引力作用之外不存在其他任何的相互作用。在宇宙逐漸演化的過(guò)程中，出現了巨大的由物質(zhì)聚集形成的纖維狀結構。在其中落戶(hù)的星系與恒星，它們發(fā)出的光芒打破了黑暗的寂靜。更為神奇的暗能量則驅動(dòng)著(zhù)宇宙加速膨脹，影響著(zhù)宇宙之網(wǎng)的演化。
這就是宇宙的宏觀(guān)圖像?，F在科學(xué)家們正打算深入其中的細節。暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是什么？宇宙之網(wǎng)是如何精確組織的？宇宙之網(wǎng)張開(kāi)的范圍從單個(gè)星系一直延伸到了可觀(guān)測宇宙的邊界。它的演化描繪著(zhù)我們今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的復雜性。同時(shí)它也在簡(jiǎn)約的宇宙學(xué)理論和豐富多彩的星系、星系團天體物理學(xué)之間架起了橋梁。
“對我來(lái)說(shuō)，下個(gè)15年天文學(xué)和天體物理學(xué)中真正激動(dòng)人心的事情就是認識我們看到的這張宇宙之網(wǎng)，”2007年12月聚會(huì )商討宇宙之網(wǎng)探測未來(lái)的106位科學(xué)家之一、加拿大多倫多大學(xué)的天文學(xué)家霍華德·葉（Howard Yee）說(shuō)，“但我們目前還無(wú)法告訴你，在某個(gè)時(shí)刻這張網(wǎng)中的某個(gè)星系究竟有多大。”
探測宇宙之網(wǎng)的過(guò)程正改變著(zhù)天文學(xué)的面貌。美國芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家邁克爾·格萊德斯（Michael Gladders）說(shuō)，科學(xué)家們正在用全新的眼光來(lái)看待星系。“我們將看到經(jīng)典天文學(xué)——在光學(xué)和紅外波段觀(guān)測遙遠的天體——的復蘇，唯一不同是我們現在一次能同時(shí)觀(guān)測幾百萬(wàn)個(gè)目標，”格萊德斯說(shuō)。
宇宙的組成
10年前，由于需要額外的引力來(lái)束縛星系，因此絕大多數的理論家都同意暗物質(zhì)的存在。隨后緊接著(zhù)的三個(gè)觀(guān)測幫助宇宙學(xué)家們明確了宇宙的精確組成。
1998年，兩個(gè)小組使用Ia型超新星爆發(fā)來(lái)測量宇宙的膨脹。讓他們驚訝的是，和預計的減速膨脹相反，他們發(fā)現宇宙正在加速膨脹。
與此同時(shí)，天文學(xué)家們也正在進(jìn)行星系巡天。作為2度視場(chǎng)星系紅移巡天的一部分，天文學(xué)家們使用澳大利亞新南威爾士的3.9米英澳望遠鏡測量了約22萬(wàn)個(gè)星系的三維空間位置。這個(gè)計劃從1997年開(kāi)始一直持續到了2002年。另一方面，1998年啟動(dòng)的斯隆數字巡天使用美國新墨西哥州的2.5米望遠鏡精確測量了80萬(wàn)個(gè)星系。這些巡天的結果會(huì )幫助科學(xué)家們了解把星系束縛到一起的暗物質(zhì)和把它們拆散的暗能量之間的相互作用。
之后的2003年，美國宇航局（NASA）的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）通過(guò)觀(guān)測宇宙大爆炸的余輝——微波背景輻射，為我們帶來(lái)了嬰兒宇宙的圖像。宇宙被認為始于無(wú)窮大的密度和溫度，隨后瞬間膨脹增大了100倍。在這個(gè)被稱(chēng)為“暴漲”的階段之后，宇宙便放緩了膨脹的速度。40萬(wàn)年后，宇宙進(jìn)一步冷卻，使得質(zhì)子和電子形成了氫原子。這一轉變釋放出了被束縛的光子，隨著(zhù)宇宙的膨脹它就成了今天我們觀(guān)測到的溫度為2.725開(kāi)的微波背景輻射。
微波背景輻射并不是完全均勻的。暴漲在新生的宇宙中放大的無(wú)窮小量子漲落最終成為了宇宙之網(wǎng)中纖維結構的種子。量子漲落同時(shí)還造成了微波背景輻射的溫度在全天的跨度上出現0.001%的變化。通過(guò)分析這一溫度起伏并且結合超新星和星系團的觀(guān)測數據，WMAP的科學(xué)家驚奇地發(fā)現，宇宙由73%的暗能量、23%的暗物質(zhì)和4%的普通物質(zhì)組成，同時(shí)還得出宇宙的年齡為137億年。
“由于漲落足夠大利于測量，同時(shí)它又很小利于研究，因此微波背景輻射真是天賜良機，”NASA戈達德航天中心的宇宙學(xué)家蓋瑞·辛肖（Gary Hinshaw）說(shuō)，“你可以立刻從漲落的譜中得到有關(guān)參數。”但是很多問(wèn)題依然還不清楚，美國芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家愛(ài)德華·庫伯（Edward Kolb）說(shuō)。“我們大致的圖像是正確的，”他解釋道，“但是對于星系如何形成、如何相互作用的細節以及星系并合的重要性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。”
身處玻璃魚(yú)缸
科學(xué)家們希望可以由近到遠、從現在到過(guò)去地追蹤宇宙之網(wǎng)。盡管我們已經(jīng)能觀(guān)測到來(lái)自大爆炸之后40萬(wàn)年的輻射，但是我們也已經(jīng)開(kāi)始探測我們附近的宇宙之網(wǎng)。因此我們有一點(diǎn)像是魚(yú)缸中的金魚(yú)，既能看到污跡斑斑的玻璃又能看到身邊的城堡。而兩者之間的正是有待發(fā)現的。
科學(xué)家們正在繪制位于暗物質(zhì)纖維結構上的星系。2005年，他們在星系的分布和微波背景輻射之間建立起了聯(lián)系。在原子形成前物質(zhì)進(jìn)入原初漲落的時(shí)候，質(zhì)子會(huì )撞擊光子，形成海嘯般掃過(guò)宇宙的聲波。根據在微波背景輻射中留下的印記，這些波在原子形成前大約傳播了10萬(wàn)個(gè)秒差距，相當于32.6萬(wàn)個(gè)光年。
隨著(zhù)宇宙膨脹了1000多倍，長(cháng)度結構也會(huì )顯現在星系中。美國賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家拉維·沙斯（Ravi Sheth）說(shuō)，根據斯隆巡天的結果，通過(guò)比較星系之間的距離，科學(xué)家們發(fā)現對于某一個(gè)給定的星系隨著(zhù)和它距離的增加發(fā)現另一個(gè)星系的概率也會(huì )增加。對這一“重子聲速振蕩”的更精確測量將會(huì )為科學(xué)家們提供另一條研究宇宙膨脹、揭示暗能量屬性的途徑。
同時(shí)科學(xué)家們也在通過(guò)對星系團的計數來(lái)探測宇宙之網(wǎng)，這些星系團是單個(gè)星系落入巨大暗物質(zhì)團塊而形成的。星系團的尺度和數量可以揭示出暗物質(zhì)的分布。同時(shí)，暗能量的拉伸效應則會(huì )抑制大質(zhì)量團塊的形成。因此加拿大多倫多大學(xué)的葉說(shuō)，統計不同紅移、不同大小的星系團的數量有望揭示出這兩者的性質(zhì)。
此外他還說(shuō)，使用光學(xué)和紅外望遠鏡能較為容易的觀(guān)測到星系團。這是因為星系團中的星系通常都較為年老，且其中充滿(mǎn)了紅巨星，它們會(huì )發(fā)出相同顏色的光。因此根據星系的顏色，天文學(xué)家們就能立刻區分出一個(gè)星系是否隸屬于某個(gè)星系團以及這個(gè)星系團的紅移。使用這一技術(shù)，葉及其紅色序列星系團巡天計劃的同事利用夏威夷的加拿大-法國-夏威夷望遠鏡已經(jīng)觀(guān)測了1000平方度的天空，發(fā)現了2萬(wàn)個(gè)星系團。
通過(guò)觀(guān)測暗物質(zhì)纖維結構的引力對遙遠星系影像的扭曲，科學(xué)家們正在試圖發(fā)現它們。美國賓夕法尼亞大學(xué)的宇宙學(xué)家蓋瑞·伯恩斯坦（Gary Bernstein）說(shuō)，被稱(chēng)為“弱引力透鏡”的這一技術(shù)使得科學(xué)家們可以直接探測暗物質(zhì)團塊，而不必去尋找位于這些暗物質(zhì)團塊中的恒星和星系。
由于弱引力透鏡效應，星系因此會(huì )看上去傾向于整齊排列，就像是魚(yú)群中的魚(yú)。2000年科學(xué)家第一次觀(guān)測到了這一現象，而2007年美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家理查德·梅西（Richard Massey）及其同事則又往前邁了一大步。利用哈勃空間望遠鏡拍攝的50萬(wàn)個(gè)星系，他們把位于3個(gè)不同距離上的引力透鏡星系和宇宙之網(wǎng)的大致三維結構進(jìn)行了對比。伯恩斯坦說(shuō)，科學(xué)家們希望能在更大的范圍上進(jìn)行類(lèi)似的三維研究。
另眼看宇宙
使用光學(xué)和紅外望遠鏡觀(guān)測星系并不是研究宇宙之網(wǎng)的唯一途徑。射電天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測微波背景輻射中的“斑點(diǎn)”也能發(fā)現星系團的蹤跡。這些宇宙微波背景輻射中的斑點(diǎn)是由蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇效應造成的。加拿大蒙特利爾麥克吉爾大學(xué)的天體物理學(xué)家馬特·道布斯（Matt Dobs）解釋說(shuō)，當背景輻射中的微波光子與星系團里高溫電離氣體中的電子發(fā)生碰撞的時(shí)候，會(huì )改變光子它的能量，暴露星系團的位置。他進(jìn)一步說(shuō)，由于這一效應并不依賴(lài)于星系團自身的亮度，這將有助于發(fā)現那些更暗弱、更遙遠的星系團。
到目前為止，絕大多數的觀(guān)測已經(jīng)探測到了由已知星系團造成的這一效應。但是由8架3.5米射電望遠鏡組成的蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇陣正在6平方度的天區分全盲搜索新的星系團。同時(shí)，位于智利的6米阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠鏡和10米的南極望遠鏡也將分別掃描200和4000平方度的天空，它們將發(fā)現數千個(gè)星系團。
星系并不是科學(xué)家們的唯一選擇。絕大多數的普通物質(zhì)并不在恒星和星系中，而是位于巨大的中性或電離氣體云中。天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測天上的燈塔類(lèi)星體來(lái)探測這些中性氫云。不管什么時(shí)候只要類(lèi)星體發(fā)出的光穿過(guò)中性氫，其中的一部分就會(huì )被吸收，并且在光譜中體現出來(lái)。美國卡內基研究所天文臺的天文學(xué)家邁克爾·勞奇（Michael Rauch）說(shuō)，吸收發(fā)生的波長(cháng)可以反映出中性氫云的紅移，吸收的寬度可以揭示出它的溫度，吸收的深度則可以告訴我們星云中氣體的含量。通過(guò)研究大量的類(lèi)星體，科學(xué)家們希望借此能描繪出這些氣體在宇宙之網(wǎng)中的分布。
科學(xué)家們也許還能更進(jìn)一步。當原子中的質(zhì)子翻轉的時(shí)候，中性氫會(huì )在21厘米的波長(cháng)上發(fā)射出射電輻射。天文學(xué)家們想通過(guò)它來(lái)探測宇宙年齡小于10億年時(shí)中性氫的分布，那時(shí)第一代恒星正在形成。但是，為了做到這一點(diǎn)，他們將需要使用計劃中的一平方千米陣（SKA），這個(gè)陣將由幾百架射電望遠鏡組成，計劃在下一個(gè)十年在澳大利亞或者南非建成。
我們成團的近鄰
星系形成于宇宙之網(wǎng)的小型節點(diǎn)中，科學(xué)家們正在試圖搞清楚它們是如何形成的。因為星系中暗物質(zhì)占主導的圖像很模糊，因此搞清楚這個(gè)問(wèn)題十分重要。“在大尺度上暗物質(zhì)模型與觀(guān)測符合得很好，”美國哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家凱瑟琳·約翰斯頓（Kathryn Johnston）說(shuō)，“但是在小尺度上就存在一些問(wèn)題了。”例如，數值模擬預言銀河系應該擁有比目前觀(guān)測到的更多的小型衛星系。
目前天文學(xué)家們對星系的形成知之甚少，在他們的數值模擬中他們僅僅讓暗物質(zhì)在其中演化，只是到最后才把星系“畫(huà)”到暗物質(zhì)團塊和節點(diǎn)中去。為了填補認識上的空白，天文學(xué)家們正在研究我們自身——銀河系。“銀河系是唯一一個(gè)我們能獲得其中恒星位置和速度三維數據的星系，”美國倫斯勒理工學(xué)院的天體物理學(xué)家海蒂·紐伯格（Heidi Newberg）說(shuō)。
銀河系中的絕大部分恒星都位于銀河系的薄盤(pán)中，而同時(shí)薄盤(pán)被暗物質(zhì)暈所包圍?？茖W(xué)家們曾經(jīng)認為這個(gè)暈是平滑的，其中的恒星也是均勻分布的。在過(guò)去的十年中，正是由于斯隆巡天對恒星的研究才使我們逐漸轉變了觀(guān)點(diǎn)。“當我們不斷挖掘數據，我們就會(huì )看到越來(lái)越多的成團性，”紐伯格說(shuō)，“它們到處都是，大小不一，有的甚至還能貫穿整個(gè)天空。”
紐伯格說(shuō)，因此暈看來(lái)只能是通過(guò)小型星系并合所產(chǎn)生的。當小型星系掉入銀河系的時(shí)候，銀河系的引力會(huì )它們身上拉出一條潮汐星流，例如人馬座星流。通過(guò)測量恒星的位置和速度，科學(xué)家們可以從統計上確定哪些恒星屬于星流。而通過(guò)比較這些恒星的化學(xué)組成，它們就可以被更清楚地區分開(kāi)。
融會(huì )貫通
最終，宇宙之網(wǎng)會(huì )在宇宙學(xué)和天文學(xué)與天體物理學(xué)之間架起一座橋梁。宇宙學(xué)家們渴望簡(jiǎn)化宇宙，只留下最基本的成分和規律。天文學(xué)家和天體物理學(xué)家們則試圖研究天體如何演化以及它們之間是否彼此關(guān)聯(lián)?？傮w上講，宇宙之網(wǎng)把這兩者網(wǎng)羅到了一起。實(shí)際如何還需拭目以待。“從現在起的10年或者20年后，我們也許可以回過(guò)頭來(lái)看它的整合作用，”庫伯說(shuō)，“但是現在我們還有一步之遙。”
然而，對宇宙之網(wǎng)的關(guān)注正在改變天文學(xué)的基本面貌，促成了越來(lái)越大規模的巡天。例如，雖然斯隆巡天仍在繼續，但是暗能量巡天計劃的科學(xué)家打算使用智利中美洲天文臺的4米布蘭科望遠鏡觀(guān)測5000平方度的天區、精確測量2億個(gè)星系。從2008年起，全景巡天望遠鏡與快速反應系統將開(kāi)始對全天3/4的天區進(jìn)行巡天。同時(shí)科學(xué)家們已經(jīng)提議建造口徑8.4米的大口徑全天巡視望遠鏡，通過(guò)采用30億像素的照相機同時(shí)可觀(guān)測10平方度的天區。并計劃從2014年起測定30億個(gè)星系的位置和紅移。
許多項目都打上了“越大越好”的標簽。“你身處這一大潮之中，”美國國家射電天文臺天文學(xué)家史蒂文·邁耶斯（Steven Myers）說(shuō)，“大規模巡天的新時(shí)代即將到來(lái)。”
隨著(zhù)巡天計劃正在變得越來(lái)越大，一些學(xué)者開(kāi)始討論觀(guān)測宇宙中所有可觀(guān)測的1千億個(gè)星系。美國密歇根大學(xué)的天體物理學(xué)家、同時(shí)也為斯隆巡天和暗能量巡天工作的蒂莫西·麥克凱（Timothy McKay）說(shuō)，雖然宇宙總會(huì )在你面前呈現出新的神秘，但是科學(xué)家們總有一天會(huì )搞清楚它的所用重要特征。“我們應該放眼未來(lái)，到那時(shí)我們可觀(guān)測的宇宙將變得歷歷在目，”他說(shuō)，“現在潛藏在宇宙中的未知事物將會(huì )在我們的有生之年暴露在我們的眼前。”
然而，天文學(xué)家們暫時(shí)不會(huì )把所有的星系都觀(guān)測完。同時(shí)，為了更深入地了解我們所處的這張宇宙之網(wǎng)，科學(xué)家們還有很多事情要做。
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