天文学家发现,银河系身处的超星系团要比过去认为的还要大得多。而这一发现只是重新绘制宇宙新地图的第一步。
想象一下访问一个遥远的星系,然后在寄给家人的明信片上填写收件地址。你可能先写下房子所在的街道和城市,然后是所在的行星——太阳的第三颗行星地球。接下来,地址中可以列上太阳的位置在银河系的猎户臂上,这是星系边缘的一段旋臂。紧接着是银河系在本星系群(包含超过50个近邻星系,覆盖了大约700万光年空间范围)中的位置。相应地,本星系群也位于室女星系团的外围,而中心距离地球5000万光年的室女星系团拥有超过1000个星系,但也只是本超星系团的一小部分。横跨超过1亿光年的本超星系团由数百个星系群组成,这样的超星系团一直被认为是宇宙大尺度结构最大的组成部分,构成了巨大的纤维状和墙状星系结构,共同围绕在几乎没有任何星系存在的空洞周围。
直到不久前,本超星系团可能就是你的宇宙地址的结尾了。天文学家认为,在这个尺度以上再做说明就毫无意义了,因为在更大的尺度上,由超星系团交织成的界限分明的墙状结构与空洞就会让位于没有可分辨特征的均匀宇宙。但是,2014年由本文作者塔利所领导的团队发现,我们是一个极为庞大的结构的一部分,其巨大程度彻底颠覆了之前的观点。事实证明,本超星系团也只是一个更加巨大的超星系团的一叶,而那个超星系团包含了10万个大星系,横跨4亿多光年。发现这一庞大超星系团的团队把它命名为“拉尼亚凯亚” ——在夏威夷语里是“无尽的天堂”的意思,来向早期利用恒星定位,在太平洋中航行的波利尼西亚人致敬。银河系的位置远离拉尼亚凯亚的中心,在它的最边缘地带。
横贯空间的星系流勾勒出了拉尼亚凯亚超星系团的轮廓。它包含了我们的银河系以及其他10万个大星系。图片来自《环球科学》,由NASA、ESA和哈勃遗产团队提供。
拉尼亚凯亚远不止是我们宇宙地址中新的一行。通过研究这个庞大结构的构造和动力学,我们可以更多地了解宇宙的过去和未来。绘制成员星系的分布以及它们的运动模式可以帮助我们更好地理解星系是如何形成和增长的,同时可以帮助我们更多地了解暗物质的本质,天文学家认为,宇宙80%的物质都是这种不可见的成分构成的。
拉尼亚凯亚也能够帮助我们解开暗能量之谜,这种在1998年发现的强大力量驱动着宇宙加速膨胀,并因此会决定宇宙的最终命运。而超星系团也可能不是我们宇宙地址的最后一行——事实上,它还可能是尚未被发现的更大结构的一部分。
星系团,如本图中的后发星系团,是宇宙中最大结构的基石。位于3亿多光年之外的后发星系团拥有大约1000个大星系,但它只是一个更大结构的一部分。这个结构叫作后发超星系团,位于拉尼亚凯亚的边界外。图片来源:《环球科学》
星系的流动
发现拉尼亚凯亚并非该团队本来的目的。他们是在努力解答关于宇宙本质的一些长期悬而未决的基本问题时,碰巧得到了这一发现。
近一个世纪之前,科学家就知道宇宙在膨胀,从而拉动星系远离彼此,正如膨胀气球表面的圆点互相分开一样。然而在最近十几年他们又认识到,如果星系只受宇宙膨胀影响的话,大多数星系相互远离的速度都应该比实际观测结果更快。还有一个较为局域性的力量也在发挥作用——来自周围其他物质聚集体的引力拖曳能够抵消星系随宇宙膨胀的运动。星系实际的运动速度是源于宇宙膨胀的星系运动和源于星系局域环境的运动的总和,而后者被称为本动速度。
把我们能看到的所有星系里的恒星、所有的气体和其他我们知道的普通物质都加到一起,产生的引力还是不足以解释星系的本动速度,差了一个数量级。出于无知,我们天文学家称呼这些缺少的部分为“暗物质”。我们相信,暗物质粒子和宇宙其他成分只通过引力相互作用,不会通过其他力(如电磁力)作用,并且暗物质补足了要解释观测到的星系速度所“缺少”的引力。科学家认为,星系位于暗物质池塘的深处——暗物质像隐形的脚手架,星系围绕着它们不断聚集成长。