本集主題：
“
宇宙之網”—宇宙大尺度結構
主講人：
石洵
所在單位：雲南大學中國西南天文研究所
宇宙大尺度結構
夜幕降臨之後，我們頭頂上燦爛的星空自古以來就地向我們展示著宇宙的廣袤和我們自身的渺小。現在我們知道，這些星光絕大多數來自銀河系內的恆星。而銀河系只是可觀測宇宙間千億個星系中普通的一員，浩瀚時空中的一個小小島嶼。所有這些星系中鄰近我們銀河系的，比如仙女座大星系，在晴朗的夜晚、光汙染小的地方，用10釐米口徑的業餘天文望遠鏡就可以直接看見；而更遠更暗的星系則需要透過大型的專業天文望遠鏡進行長時間的曝光來探測。在90年代中期，人們用哈勃望遠鏡對準夜空中一塊黑暗小區域進行了上百個小時的曝光，結果這張對應面積約為月亮的百分之一的照片裡，探測到了大約三千個遙遠的星系，整張照片看起來就好像一個裝滿寶石的盒子。
哈勃望遠鏡拍攝的深空照片（“哈勃深場”）
那麼如果我們對宇宙間的這些星系做一個“人口普查“，它們的分佈是怎樣的呢？也是從90年代中期開始，天文學家開始進行這樣的星系巡天，結果發現星系在天空中的位置看起來就像從空中看地球上夜晚城市的燈光：一些星系集中地住在城市裡，很多星系住在城市與城市之間的大路上，還有大塊大塊的田野看上去黑黑的沒有多少星系。考慮到不同星系離我們的不同距離，這對應著一個三維的網狀結構，天文學中稱為“宇宙之網”。它的網眼的典型尺度是三千萬光年，也就是幾百倍於我們銀河系恆星盤的大小，這對應著剛才所說的“田野“， 或者用專業的語言來說，少有星系分佈的”空洞”。而宇宙之網的結點對應著星系團、星系群，也就是由幾十到幾千個星系組成的成團結構，像一些星系的”小城市“。這些小城市之間，則是宇宙纖維狀結構，其中也分佈著大量星系。這些星系團、星系群、纖維狀結構和空洞即構成了宇宙的大尺度結構，這也是宇宙間已知的最大結構：在更大的、遠超過宇宙之網網眼的尺度上，我們觀測到的星系的分佈是均勻，星系的平均數目在宇宙間不同的區域並沒有什麼差別。
斯隆數字巡天 —— 美國一2。5米望遠鏡自2000年起所做的星系普查所展示的星系組成的宇宙大尺度結構
如果更嚴格地套用”城市“這個比喻的話，宇宙之網的城市化還處於初級階段，還只發展出很小的城市。但宇宙之網也是在演化的，在未來，纖維狀結構中的星系會逐漸併合進入星系群、星系團，城市化也會像在地球上一樣會越來越發達。這樣的未來我們只能由物理推測，但是觀測上我們可以看見宇宙的過去。這是因為光速是有限的，所以當我們觀測離我們越遠的空間的時候，接收到的光線也就來自於更久遠的時間，看到的也就是更幼年的宇宙。天文學家用大型望遠鏡看到的更幼年的宇宙中，星系的分佈比起今天的確實要更加均勻，宇宙大尺度結構沒有今天的這麼清晰。
由此推斷，極早期的宇宙必然是十分均勻的。天文觀測發現的確是這樣。上個世紀中葉，宇宙微波背景輻射的發現直接帶給了我們宇宙在其嬰兒期的資訊。當時，貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜搭建了射電天線打算用來做衛星通訊實驗。他們發現有一個惱人的噪聲一直找不到根源，這個訊號既沒有周日的變化，也沒有季節的變化，不論天線對著天空的哪個方向，它對應的天線溫度都是絕對溫度3度。這聽起來很像是天線本身所產生的噪聲，然而彭齊亞斯和威爾遜試了各種方法檢查天線，包括清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，這個噪聲仍無法除去，而越來越顯得像一個真實的訊號。不久，他們瞭解到這一“噪聲”正是幾十公里之外普林斯頓大學的科學家們正在尋找的宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射最驚人的特徵就是它高度的均勻性：之後更精密的測量指出，它在在天空中不同方向上強度的漲落，只有十的負五次方。
也就是說，在宇宙微波背景輻射產生的時候，宇宙中不同位置的密度的差別僅有百分之零點零零幾那麼大。而正是從這麼小的一點點密度差別，演化出了今天的宇宙大尺度結構。
宇宙微波背景輻射反映的微小密度漲落是今天宇宙大尺度結構的種子
物理上怎樣理解宇宙大尺度結構這一隨時間的增長呢？其實很簡單，這背後的作用力與讓蘋果落地的力是一樣的，就是萬有引力——我們所知的四種基本作用力中唯一的長程且不正負相消的作用力。宇宙早期物質分佈中一些小小的擾動使一些區域的密度比起周圍稍微大了那麼一點點。在萬有引力的不斷作用下，周圍的物質會逐漸向這些密度稍高的區域流動，使它們的密度越來越高。正是這一引力不穩定性使宇宙大尺度結構從相對均勻的宇宙中湧現，也使了它不斷的增長、演化。
計算機模擬宇宙暗物質大尺度結構在從宇宙早期（左）至今（右）的演化
這其中還有一個微妙而神奇的事實：如果定量的研究宇宙大尺度結構和它的演化，就會發現，這背後需要的引力遠非所有星系中可見的恆星，以及其他可見物質的質量所可以提供的。甚至我們透過綜合考慮其他的天文觀測和粒子物理知識，把所有已知的粒子在宇宙間貢獻的質量都算上，也只能貢獻所需引力的不到百分之二十。也就是說，產生宇宙間引力的大部分質量來源還是一個未知之謎。天文學家將這些物質稱為“暗物質”，它們和其他已知物質的相互作用必然很微弱，所以它們才很“黑暗”。雖然天文學家和粒子物理學家一直在用各種觀測和實驗手段搜尋暗物質的蹤跡，它至今還是沒有被用引力以外的任何方式所探測到。
我們所見星系組成的大尺度結構，其實反映著暗物質的大尺度結構。每個星系都存在於更大的暗物質暈中；星系的分佈，則像是暗物質分佈上的冰山一角。計算機模擬是研究暗物質大尺度結構的重要方法，它可以幫助我們重現暗物質大尺度結構在引力作用下的演化歷史。對比計算機模擬的宇宙大尺度結構和天文觀測到的宇宙大尺度結構，我們可以得到宇宙間暗物質的總量和性質等重要的資訊。值得一提的是，這樣的研究同時支援了宇宙中另一個黑暗成分 —— 性質更為奇特的暗能量在我們宇宙中的普遍存在。暗能量在今天宇宙中的能量密度比暗物質還大很多，把暗物質和暗能量的能量密度加在一起，將佔到當今宇宙所有能量密度的百分之九十五。結合宇宙大尺度結構和其他宇宙學觀測對暗物質和暗能量的研究是現代宇宙學和粒子物理研究的重要課題。
比起夜晚遍佈恆星的星空，如今更令天文學家感到讚歎和敬畏的，正是這燦爛的星系大尺度結構所揭示的黑暗世界。
知識點總結：
1。 宇宙大尺度結構：宇宙中的物質在大尺度上的網狀分佈結構，宇2。 宙間最大的結構。
2。 星系巡天幫助我們發現了宇宙大尺度結構，它至今是測量宇宙大
尺度結構的一種重要手段。
3。 宇宙微波背景輻射告訴我們，宇宙早期物質分佈很均勻，只有微小的密度漲落。
4。 引力不穩定性導致了宇宙大尺度結構從微小密度漲落的形成
5。 宇宙間大部分的引力來源於物理機制不明的“暗物質”
6。 宇宙大尺度結構的研究支援了暗能量的存在
3）在極端強引力場條件下，比如黑洞周圍，可以檢驗廣義相對論的正確性。
欄目簡介
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