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(cè)我們所處的這張“宇宙之網(wǎng)”。

[圖片說(shuō)明]：星系團(tuán)暗示著其中有暗物質(zhì)的存在。

　　整個(gè)宇宙就像一張復(fù)雜的網(wǎng)，所有的恒星和星系都附著在它之上。詩(shī)人們也許會(huì)因此吟唱，但是在這些華麗的詩(shī)篇中卻保藏著科學(xué)家們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。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(zhàn)。

　　宇宙之網(wǎng)是構(gòu)筑宇宙的框架。它主要由占宇宙物質(zhì)85%的暗物質(zhì)構(gòu)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(xiàn)了巨大的由物質(zhì)聚集形成的纖維狀結(jié)構(gòu)。在其中落戶的星系與恒星，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(qū)動(dòng)著宇宙加速膨脹，影響著宇宙之網(wǎng)的演化。

　　這就是宇宙的宏觀圖像。現(xiàn)在科學(xué)家們正打算深入其中的細(xì)節(jié)。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測(cè)宇宙的邊界。它的演化描繪著我們今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的復(fù)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(tuán)天體物理學(xué)之間架起了橋梁。

　　“對(duì)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(rèn)識(shí)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(cè)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(cè)宇宙之網(wǎng)的過(guò)程正改變著天文學(xué)的面貌。美國(guó)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)和紅外波段觀測(cè)遙遠(yuǎn)的天體——的復(fù)蘇，唯一不同是我們現(xiàn)在一次能同時(shí)觀測(cè)幾百萬(wàn)個(gè)目標(biāo)，”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(shù)的理論家都同意暗物質(zhì)的存在。隨后緊接著的三個(gè)觀測(cè)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(cè)量宇宙的膨脹。讓他們驚訝的是，和預(yù)計(jì)的減速膨脹相反，他們發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡測(cè)量了約22萬(wàn)個(gè)星系的三維空間位置。這個(gè)計(jì)劃從1997年開(kāi)始一直持續(xù)到了2002年。另一方面，1998年啟動(dòng)的斯隆數(shù)字巡天使用美國(guó)新墨西哥州的2.5米望遠(yuǎn)鏡精確測(cè)量了80萬(wàn)個(gè)星系。這些巡天的結(jié)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(guó)宇航局（NASA）的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）通過(guò)觀測(cè)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(rèn)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(zhuǎn)變釋放出了被束縛的光子，隨著宇宙的膨脹它就成了今天我們觀測(cè)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(jié)構(gòu)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(xiàn)0.001%的變化。通過(guò)分析這一溫度起伏并且結(jié)合超新星和星系團(tuán)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，WMAP的科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，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。

[圖片說(shuō)明]：微波背景輻射和所“對(duì)應(yīng)”的星系分布。

　　“由于漲落足夠大利于測(cè)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(jī)，”NASA戈達(dá)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(shù)。”但是很多問(wèn)題依然還不清楚，美國(guó)芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家愛(ài)德華·庫(kù)伯（Edward Kolb）說(shuō)。“我們大致的圖像是正確的，”他解釋道，“但是對(duì)于星系如何形成、如何相互作用的細(xì)節(jié)以及星系并合的重要性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。”

身處玻璃魚缸

　　科學(xué)家們希望可以由近到遠(yuǎn)、從現(xiàn)在到過(guò)去地追蹤宇宙之網(wǎng)。盡管我們已經(jīng)能觀測(cè)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(cè)我們附近的宇宙之網(wǎng)。因此我們有一點(diǎn)像是魚缸中的金魚，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(xiàn)的。

　　科學(xué)家們正在繪制位于暗物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)上的星系。2005年，他們?cè)谛窍档姆植己臀⒉ū尘拜椛渲g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(jù)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(dāng)于32.6萬(wàn)個(gè)光年。

　　隨著宇宙膨脹了1000多倍，長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)也會(huì)顯現(xiàn)在星系中。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家拉維·沙斯（Ravi Sheth）說(shuō)，根據(jù)斯隆巡天的結(jié)果，通過(guò)比較星系之間的距離，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)對(duì)于某一個(gè)給定的星系隨著和它距離的增加發(fā)現(xiàn)另一個(gè)星系的概率也會(huì)增加。對(duì)這一“重子聲速振蕩”的更精確測(cè)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(duì)星系團(tuán)的計(jì)數(shù)來(lái)探測(cè)宇宙之網(wǎng)，這些星系團(tuán)是單個(gè)星系落入巨大暗物質(zhì)團(tuán)塊而形成的。星系團(tuán)的尺度和數(shù)量可以揭示出暗物質(zhì)的分布。同時(shí)，暗能量的拉伸效應(yīng)則會(huì)抑制大質(zhì)量團(tuán)塊的形成。因此加拿大多倫多大學(xué)的葉說(shuō)，統(tǒng)計(jì)不同紅移、不同大小的星系團(tuán)的數(shù)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(yuǎn)鏡能較為容易的觀測(cè)到星系團(tuán)。這是因?yàn)樾窍祱F(tuán)中的星系通常都較為年老，且其中充滿了紅巨星，它們會(huì)發(fā)出相同顏色的光。因此根據(jù)星系的顏色，天文學(xué)家們就能立刻區(qū)分出一個(gè)星系是否隸屬于某個(gè)星系團(tuán)以及這個(gè)星系團(tuán)的紅移。使用這一技術(shù)，葉及其紅色序列星系團(tuán)巡天計(jì)劃的同事利用夏威夷的加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)了1000平方度的天空，發(fā)現(xiàn)了2萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。

　　通過(guò)觀測(cè)暗物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的引力對(duì)遙遠(yuǎn)星系影像的扭曲，科學(xué)家們正在試圖發(fā)現(xiàn)它們。美國(guó)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(cè)暗物質(zhì)團(tuán)塊，而不必去尋找位于這些暗物質(zhì)團(tuán)塊中的恒星和星系。

　　由于弱引力透鏡效應(yīng)，星系因此會(huì)看上去傾向于整齊排列，就像是魚群中的魚。2000年科學(xué)家第一次觀測(cè)到了這一現(xiàn)象，而2007年美國(guó)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。伯恩斯坦說(shuō)，科學(xué)家們希望能在更大的范圍上進(jìn)行類似的三維研究。

另眼看宇宙

　　使用光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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)觀測(cè)微波背景輻射中的“斑點(diǎn)”也能發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)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(yīng)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(dāng)背景輻射中的微波光子與星系團(tuán)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(tuán)的位置。他進(jìn)一步說(shuō)，由于這一效應(yīng)并不依賴于星系團(tuán)自身的亮度，這將有助于發(fā)現(xiàn)那些更暗弱、更遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)。

　　到目前為止，絕大多數(shù)的觀測(cè)已經(jīng)探測(cè)到了由已知星系團(tuán)造成的這一效應(yīng)。但是由8架3.5米射電望遠(yuǎn)鏡組成的蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇陣正在6平方度的天區(qū)分全盲搜索新的星系團(tuán)。同時(shí)，位于智利的6米阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡和10米的南極望遠(yuǎn)鏡也將分別掃描200和4000平方度的天空，它們將發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)星系團(tuán)。

　　星系并不是科學(xué)家們的唯一選擇。絕大多數(shù)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)觀測(cè)天上的燈塔類星體來(lái)探測(cè)這些中性氫云。不管什么時(shí)候只要類星體發(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(xiàn)出來(lái)。美國(guó)卡內(nèi)基研究所天文臺(tái)的天文學(xué)家邁克爾·勞奇（Michael Rauch）說(shuō)，吸收發(fā)生的波長(zhǎng)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(dāng)原子中的質(zhì)子翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，中性氫會(huì)在21厘米的波長(zhǎng)上發(fā)射出射電輻射。天文學(xué)家們想通過(guò)它來(lái)探測(cè)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(jì)劃中的一平方千米陣（SKA），這個(gè)陣將由幾百架射電望遠(yuǎn)鏡組成，計(jì)劃在下一個(gè)十年在澳大利亞或者南非建成。

我們成團(tuán)的近鄰

　　星系形成于宇宙之網(wǎng)的小型節(jié)點(diǎn)中，科學(xué)家們正在試圖搞清楚它們是如何形成的。因?yàn)樾窍抵邪滴镔|(zhì)占主導(dǎo)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)模型與觀測(cè)符合得很好，”美國(guó)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(shù)值模擬預(yù)言銀河系應(yīng)該擁有比目前觀測(cè)到的更多的小型衛(wèi)星系。

　　目前天文學(xué)家們對(duì)星系的形成知之甚少，在他們的數(shù)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”到暗物質(zhì)團(tuán)塊和節(jié)點(diǎn)中去。為了填補(bǔ)認(rèn)識(shí)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(shù)據(jù)的星系，”美國(guó)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)。

[圖片說(shuō)明]：星系碰撞。現(xiàn)在認(rèn)為，類似銀河系這樣的大型星系都是通過(guò)小型星系并合而形成的。

　　銀河系中的絕大部分恒星都位于銀河系的薄盤中，而同時(shí)薄盤被暗物質(zhì)暈所包圍。科學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)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(duì)恒星的研究才使我們逐漸轉(zhuǎn)變了觀點(diǎn)。“當(dāng)我們不斷挖掘數(shù)據(jù)，我們就會(huì)看到越來(lái)越多的成團(tuán)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(dāng)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(cè)量恒星的位置和速度，科學(xué)家們可以從統(tǒng)計(jì)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(qū)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(guī)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)。總體上講，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(xiàn)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(kù)伯說(shuō)，“但是現(xiàn)在我們還有一步之遙。”

　　然而，對(duì)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(guī)模的巡天。例如，雖然斯隆巡天仍在繼續(xù)，但是暗能量巡天計(jì)劃的科學(xué)家打算使用智利中美洲天文臺(tái)的4米布蘭科望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)5000平方度的天區(qū)、精確測(cè)量2億個(gè)星系。從2008年起，全景巡天望遠(yuǎn)鏡與快速反應(yīng)系統(tǒng)將開(kāi)始對(duì)全天3/4的天區(qū)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(yuǎn)鏡，通過(guò)采用30億像素的照相機(jī)同時(shí)可觀測(cè)10平方度的天區(qū)。并計(jì)劃從2014年起測(cè)定30億個(gè)星系的位置和紅移。

　　許多項(xiàng)目都打上了“越大越好”的標(biāo)簽。“你身處這一大潮之中，”美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)天文學(xué)家史蒂文·邁耶斯（Steven Myers）說(shuō)，“大規(guī)模巡天的新時(shí)代即將到來(lái)。”

　　隨著巡天計(jì)劃正在變得越來(lái)越大，一些學(xué)者開(kāi)始討論觀測(cè)宇宙中所有可觀測(cè)的1千億個(gè)星系。美國(guó)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(xiàn)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(yīng)該放眼未來(lái)，到那時(shí)我們可觀測(cè)的宇宙將變得歷歷在目，”他說(shuō)，“現(xiàn)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)把所有的星系都觀測(cè)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。