宇宙大尺度結構

宇宙裏存在着由無數個星系聚集而成的巨大構造，這就是宇宙大尺度結構。

宇宙大尺度結構就像無數個氣泡密密麻麻地重疊在一起。氣泡的“膜”由若干星系聚集而成，根據其形狀不同，可分為纖維狀（細長結構）、片狀（扁平狀結構）等。天文學家把其中特別巨大的結構形象地稱為“長城”（great wall）。氣泡內部空蕩蕩的，幾乎沒有什麼星系物質，被稱為“巨洞”（void）。與相鄰氣泡重疊的部分則密集地分佈着大量星系，類似這樣的星系集團稱為星系團（Galaxy Cluster）。若干星系團聚集在一起構成超星系團（supercluster），若干超星系團聚集在一起則構成超星系團複合體（supercluster compete）。

我們生活的太陽系位於銀河系，銀河系的直徑大約10萬光年。典型氣泡結構的直徑大約1億光年，相當於銀河系直徑的1000倍。到2022年為止，雖然只發現了幾個星系“長城”，但有的“長城”直徑高達10億光年。氣泡結構彼此相連、延綿不斷，龐大的星系在其中只是一個小點。

由星系聚集而成的氣泡結構會以多種模式堆積，在“巨洞”深處也會有氣泡結構，並分佈少量星系。可以説，大尺度結構就像海綿一樣，裏面佈滿了大大小小的許多孔穴。

大尺度結構是如何形成的？研究認為，誕生之初的宇宙宛如一個火球，裏面充滿了熾熱的氣體，根本不存在恆星和星系，而且其物質分佈非常均勻。誕生大約37萬年後，宇宙中的物質密度只有區區0.01%的起伏。

早期宇宙中這一微不足道的密度差異卻成為了大尺度結構的“種子”。隨着時間的推移，宇宙中的密度差異越來越大，最後形成了星系及大尺度結構。

那麼，早期宇宙物質這種密度起伏究竟是怎樣形成的呢？科學家認為暴脹理論是解釋這一疑問的最佳答案：誕生之初的宇宙是空空蕩蕩的，但其中充滿了巨大的能量。這些能量導致了宇宙在極短的瞬間猛烈膨脹（暴脹）。在宇宙暴脹的過程中，有些地方出現了極其微小的能量差異。暴脹結束後，以能量為基礎形成了物質，於是出現了極其微小的物質密度起伏 ^[2]  。

星系巡天的結果顯示我們的宇宙似乎顯示一種“泡沫網狀”結構。幾乎所有的星系都分佈在狹窄的“纖維帶”上，而在它們的中間則是巨大的空洞，天文學上稱為“巨洞”。這些巨洞的體積巨大，有些直徑可達3億光年，其中幾乎空無一物。但是這樣説並不正確，因為儘管我們看上去那裏確實是什麼也沒有，但實際上這裏充斥着暗物質。

結構的組織爭議開始於恆星的層次，雖然多數的宇宙學家很少在天體物理學中研究這個尺度。恆星是星系內的組織，星系則組織成星系羣、星系團和被巨大的空洞分隔的超星系團。在1989年之前，一般的假設是均巧的星系團是存在的最大結構，並且在宇宙的各個方向上的分佈或多或少都是均勻的。然而，建立在紅移觀測的資料上，瑪格利特·蓋勒和約翰·修茲勞在1989年發現了長城，由星系組成的長5億光年、寬2億光年、厚1500萬光年的結構。這個結構的存在跳脱了長久以來的認知，因為它需要星系在三個空間維度中的位置，就必需加入來自紅移的星系距離資料。在2003年，另一個大尺度結構—史隆長城也被發現了。但是，在技術上並不認為這是一種結構，因為彼此在重力上並無關聯，只是在測量的距離上都在那兒。在太空中最大的空洞之一是摩羯座的空洞，估計他的直徑是2.3億光年。

在2007年8月，一個可能的超級空洞在波江座被發現，他與WMAP冷斑點－在微波的天空中寒冷的一個區域－一致，但在現行受到偏愛的宇宙論模型下是極度不可能存在的。這個超級空洞造成的冷斑點，超乎想像的巨大，可能跨越了十億光年的空間。

對宇宙進一步的研究看到巨大的像是氣泡的空洞分隔開了片狀結構和星系纖維，而超星系團就像是其中偶爾相對出現的密集節點。這種網絡結構在2度視場星系紅移巡天可以清楚的看見。在巡天勘測的內側部分三度空間圖的結構中顯示，在附近的宇宙顯露出令人印象深刻的結構。幾個超星系團顯示出，像是史隆長城，迄今所知道宇宙的最大結構。

大至矣哉（End of Greatness）是在觀測上發現的一個尺度，大致上是一億秒差距（三億光年），在這個尺度下的宇宙區塊，依據宇宙學原理大致上是均質與各向同性的。超星系團和星系纖維在可見的領域明顯是平均分佈的，但在較小範圍的勘察下是任意的。直到1990年代，紅移巡天的勘察完成，這種尺度的結構才被完整的觀察到。

另一個大尺度結構的證據是萊曼α森林（Lyman alpha forest）。這是在類星體光譜的一羣吸收譜線，被解釋為在途中有許多稀薄但巨大的氣體材料（幾乎全都是氫的氣體）存在，這些版材看起來與新星系的形成有所關聯。

在描述宇宙的結構時必須格外的小心與謹慎，因為事實不是全如它們在外觀上所呈現的。被重力扭曲的光線（重力透鏡）所呈現的畫面看起來與它們真正來源的方向是不同的，這是因為前景的天體（例如星系）彎曲了它們自己所在的空間造成的（一如廣義相對論的預測），因而偏轉了通過附近的光線。相當有用的，強大的重力透鏡有時能將遙遠的星系放大，使它們更容易被偵測到；但弱透鏡（重力的切變）的干擾是很普通也很微妙的改變了觀測到的宇宙大尺度結構。在2004年，對這種微妙切變的觀察，顯示值得做為宇宙模型測試的約束。

宇宙的大尺度結構看起來不同於只使用紅移測量距離的星系。例如，在星系團背後的星系將被吸引著朝向它，而會朝向星系團落下，因此有輕微的藍移（與沒有星系團的情況比較）；靠近的這一側，則會有輕微的紅移。所以如果只用紅移來測量距離，星系團的環境看起來會被壓縮了一點。相對的效應會作用在星系團內部的星系：在星系團中的星系有一些不規則運動，而當這些不規則運動被轉換成紅移時，星系團看起來會被拉長。這創造出了所謂的上帝的手指：星系的長鏈指向地球的錯覺。

"整個近紅外天空的全景影像揭露在銀河系之外的星系分佈。這張影像是由2微米全天巡天的擴散源目錄（XSC）超過150萬個的星系，和由點源目錄（PSC）得到接近5千萬個星系（Galaxy，簡稱湦）內的星點導出的。星系的顏色是依據UGC目錄、哈佛天文物理中心、Tully NBGC、LCRS、 2dFGRS、6dFGS和SDSS巡天等所得的紅移（各種不同的數值經由NASA/IPAC的NASA銀河系外數據庫整合），或從K頻帶（2.2微米）光電測光推導後給予的。藍色是最接近的（z ＜ 0.01），綠色在普通的距離上（0.01 ＜ z ＜ 0.04），紅色是2MASS所能分辨距離最遠的（0.04 ＜ z ＜ 0.1）。這張圖是以以銀河為中心採用等面積的埃托夫（ Aitoff）投影法繪製的銀河座標系圖。"

在長蛇座超星系團的中心有一個被稱為巨引源的異常重力，影響着數億光年內星系的運動。這些星系的紅移都符合哈勃定律，表示它們和我們是相互在退行的，但它們在紅移上的變化充分的顯示出與有與上萬個星系等效的質量被集中在那兒。

巨引源是在1986年發現的，躺在長蛇座和人馬座的方向上，距離在1億5千萬至2億5千萬光年之間（2億5千萬光年是最近的估計）。在那個方向的附近可以觀測到大量的老星系，有許多星系與鄰居的星系相互碰撞著，並且/或者輻射出大量的無線電波。

在企圖建立大尺度結構的模型上，宇宙論還有許多工作要做。使用大霹靂模型和假設建造宇宙的物質類型，可預期的是應該能預測物質的分佈狀態，並且與觀測工作來比較對不同的宇宙學理論是背後的支撐還是駁斥。觀測指出大多數的宇宙必須包含冷暗物質，假設熱暗物質或重子暗物質的模型不能與觀測吻合。宇宙微波背景輻射和高紅移超新星也同樣的對這些模型予以機乎全面性的壓抑，並且這些方法也給了更多我們居住的是加速中的宇宙論述證據。

根據多年的探索，人類所能觀察到的外湦（河外星系）大概有1000~2000億個 ^[1]  。僅仙女座銀河就含有將近10000億個星球。所以星球之於銀河只不過是滄海一粟而已。宇宙中的星球多的就像河灘上的沙粒一樣，是無法計數的。所以説宇宙無邊無沿一點都不誇張。

關於宇宙尺度之謎，德國哲學家康德提出過著名的“時空悖論”，強調人們關於宇宙有限和無限的理解必然存在矛盾。而愛因斯坦1917年提出了有限宇宙模型，他提出：“應把宇宙看成是一個在空間尺度方面是有限的閉合的連續區”。並從宇宙物質均勻分佈的前提下，在數學上建築了一個“無界而有限”，“有限而閉合”的四維連續體。即宇宙是封閉的“宇宙球”。根據此觀點，在宇宙上任意一點上發出的光線，將會沿着時空曲面在100億年後返回到它的出發點。這樣奇妙的學説，人們還不能完全理解。時空曲率是正還是負？還是零（愛氏本人趨於同意正曲率存在）？人們還無法確切回答。不過美國一位科學家利用電子計算機處理觀察宇宙光時，確實看到了成光圈狀的由某星系發出的光線，這無疑是對愛因斯坦“宇宙球 ”理論的支持和驗證。最後，關於宇宙尺度等問題，還有待留出時間去探討。但可以説，對宇宙的認識是無止境的。