在茫茫宇宙中，我們的星球究竟處于什么位置？2014年9月，第一幅三維宇宙全景圖橫空出世，法國科學(xué)家海倫·庫爾圖瓦宣布發(fā)現(xiàn)了迄今已知、人類所處的最大的宇宙結(jié)構(gòu)——“拉尼亞凱亞超星系團”，這便是我們銀河系的家園。
海倫將其研究過程寫成了一本書《宇宙地圖》。書中豐富的宇宙學(xué)知識和大量寶貴的觀測數(shù)據(jù)，無疑是宇宙愛好者不可錯失的收藏。以下為原文摘錄：
我們的星系和它的鄰居們在宇宙中以每秒幾百千米的速度移動著！這個觀測結(jié)果從20 世紀(jì)60 年代初便被發(fā)現(xiàn)了，但當(dāng)時的天文學(xué)家還不能為這個現(xiàn)象提供一個完美的解釋。90 年代，美國的一個團隊認(rèn)為這種移動是由一種巨大的質(zhì)量引起的，即“巨引源”。不幸的是，由于巨引源所處的位置，我們很難對其進行觀測。
然而里昂的天文學(xué)家做到了！通過對巨引源的研究，我的團隊發(fā)現(xiàn)了我們所在的這個超星系團，并將其命名為拉尼亞凱亞超星系團。
我們的宇宙新地址
從2014年9月4日起，我們正式有了新的宇宙地址！這天是我們宣布發(fā)現(xiàn)拉尼亞凱亞的文章發(fā)表在《自然》期刊上的日子。迄今為止，拉尼亞凱亞超星系團是我們已知的、人類所處的最大的宇宙結(jié)構(gòu)。拉尼亞凱亞這個詞起源于夏威夷語“無盡的天空”之意。實際上，這個尺度大到我們難以理解：它的直徑大約為5億光年，也就是光需要花5 億年才能從它的一端傳播到另一端。它包含約10萬個與我們的星系規(guī)模相似的星系，以及100萬個更小的星系。這相當(dāng)于包含了約1億億個太陽！這就是我將向你們講述的拉尼亞凱亞超星系團的發(fā)現(xiàn)過程，我們?yōu)橹冻隽酥T多努力。
圖注: 左上為“太陽系”、右上為“星系”、左下為“宇宙結(jié)點”、右下為“超星系團（拉尼亞凱亞）”
什么是宇宙全景圖
宇宙學(xué)是天文學(xué)中的一大分支，主要研究大爆炸之后的宇宙結(jié)構(gòu)和宇宙發(fā)展過程。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，宇宙學(xué)家首先需要確定目前宇宙中存在的天體結(jié)構(gòu)，并由此推斷它們是如何相互影響的。這個過程能夠幫助我們追溯并繪制宇宙編年史：從物質(zhì)分布得更加均勻的宇宙初期，一直到現(xiàn)在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成。
宇宙學(xué)家在某種意義上相當(dāng)于宇宙的“歷史地理學(xué)家”，他們可以從事的工作涵蓋了從純理論到實驗科學(xué)的不同領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域之中，我所研究的是“宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)”，也就是為我們的宇宙繪制地圖。更具體地講，我的工作是確定我們周圍星系的位置及其運動情況。這個領(lǐng)域的研究范圍，用天文學(xué)術(shù)語來說是近域宇宙。
有趣的是，這里說的“近域”可是距離地球數(shù)億光年的地方了！不僅如此，我們觀察本星系群時看到的可見光竟然在恐龍存在的時候就離開這些星系了！我們用“近域”這個詞來形容我們所在的區(qū)域，是因為即便是我們繪制的最大的宇宙圖也僅僅包括了可觀測宇宙的一百萬分之一。
當(dāng)我去學(xué)校向?qū)W生們解釋我的工作時，他們從來沒問過“為什么”我們要繪制宇宙全景圖，而是問“如何”才能完成這項工作。我認(rèn)為這才是真正重要的地方。因為“為什么”的答案顯而易見：我們需要一張地圖來知道我們到底在哪！知道我們的位置，難道不是確定我們即將前往哪里的必要條件嗎？并且這可以讓我們知道我們從哪兒來，或者說我們是誰？
而關(guān)于“如何”完成這項工作，答案就復(fù)雜得多了，并且這會引出其他很多問題。當(dāng)代天文物理學(xué)家是如何工作的？他們還是像400 年前的伽利略一樣盯著望遠(yuǎn)鏡嗎？他們需要爬完世界上所有的山來收集新的數(shù)據(jù)，通過分析和模型擬合來進一步拓展我們的認(rèn)知嗎？更確切地說，我作為大學(xué)教授的工作包括什么呢？我需要白天授課然后夜晚觀測嗎？
我的日常工作中，借助計算機程序收集和分析數(shù)據(jù)是一個很重要的環(huán)節(jié)。而要回答“如何”這個問題，就需要解釋我的研究方法：天空區(qū)域的選擇。圓弧形的天球面包括兩個維度：望遠(yuǎn)鏡指向的方向和估測想要研究的星系的距離，這兩個維度可以幫助我們找到第三個維度。然后我們要借助不同的方法來推導(dǎo)它的速度，從而建立環(huán)繞我們這個空間的全新移動宇宙圖—我們叫它“動態(tài)圖”。學(xué)生們經(jīng)常向我抱怨：“僅憑這些我根本無法想象你平時是怎么工作的！”
看到立體的天空：第三個維度
你一定見過業(yè)余版的宇宙圖，但是當(dāng)你試圖在夏日的夜晚向你的同伴形容某個有趣的天體在哪里的時候，最大的困難就是讓他準(zhǔn)確找到那個目標(biāo)——那個小家伙雖然明亮，卻迷失在上百個像它一樣的發(fā)光體中。然后這個原本有趣的話題很可能就變成了一大堆讓人頭疼的復(fù)雜解釋，這時你大概就該后悔沒成為一名受過專門訓(xùn)練的天文學(xué)家了。
天文學(xué)家可以準(zhǔn)確描述某顆星所處的天空，這讓問題變得簡單多了。在我們了解將天球分區(qū)成一個個星座的重要性之前，其他人一定也遇到過類似的麻煩。天球就是有著無限半徑的、以地球為中心的球體，宇宙中所有天體都像是被掛在上面一樣。星座是在天球中彼此接近的天體，我們將它們隨意地連接起來，繪制出引人遐想的形狀。
此外，雖然國際天文學(xué)聯(lián)合會已經(jīng)由官方認(rèn)定，將天球面分成了88 個星座，以此來保證每個天體只屬于一個星座，星座的定義在不同的文明里仍是不一樣的。所以為了更加精確，天文學(xué)家用畫十字的方法給天球分區(qū)：一系列虛圓環(huán)經(jīng)過南極和北極，另外一系列虛圓環(huán)和赤道平行，就像是地球上的經(jīng)緯線一樣。然后他們用每個天體在這個格子里的坐標(biāo)進行定位。所以在赤道坐標(biāo)系中，一個天體的方向由兩個角度決定：它的赤緯對應(yīng)一個點在地球上的緯度，赤經(jīng)對應(yīng)這個點在地球上的經(jīng)度。
無論是非常精確地使用坐標(biāo)還是使用星座，定位研究中都存在一個重要的問題：兩個在天球面上極其接近的天體，比如兩個屬于同一星座的天體，真的離得很近嗎？
首先，答案是否定的！我們幾乎無法跨越的障礙，是將投影在天球面的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維的實際位置。這個缺失的第三個維度是深度，也就是我們所觀察的天體的實際距離。在日常生活中，我們并不會在判斷物體的距離上遇到困難，因為深度的信息已經(jīng)被我們的大腦自動處理了。這個任務(wù)對我們來說很簡單的原因有兩個：首先，我們已經(jīng)知道了物體的實際尺寸，因此通過看到的大小就可以估計它的距離；其次，物體距我們的距離和我們雙眼之間的距離是屬于同一個數(shù)量級的，大腦可以通過雙眼同時獲取兩個分離的點的位置，在固定的背景上估計這個物體的距離，這個方法叫作三角測量原理。
圖注：獵戶星座在天球面上的投影和三維圖像
但是，測量“掛”在天球上的發(fā)光體的距離是一件和前述的方法完全不同的事情！對于我們而言，天體的實際大小通常是未知的：宇宙中存在著大小各異的行星、恒星和星系，我們很難給每個物體定義一個標(biāo)準(zhǔn)單位。不僅如此，這些大小各異的目標(biāo)離我們太遙遠(yuǎn)了，遠(yuǎn)到看起來都只是一個點。即使在地球的兩端放兩個望遠(yuǎn)鏡來模擬我們的雙眼，也無法用三角測量原理測量距離。因為相較于宇宙中的距離，地球?qū)嵲谑翘×恕?/span>
所以宇宙圖是一項極具開創(chuàng)意義的發(fā)明，它不僅解決了這個難題，還讓我們可以測量第三個維度—深度。根據(jù)圖中比例尺的不同，所使用的測量方法以及得到的距離的精確度也是不一樣的。整體來講，距離越遠(yuǎn)，精確度越低。而這些正是我們這些天文學(xué)家所必須面對的挑戰(zhàn)。
實際上，得到離我們很近的天體的第三個維度并不復(fù)雜。所以太陽、月亮的大小以及它們與我們的距離早在古希臘時代就已經(jīng)被估算過了。公元前3世紀(jì)，阿里斯塔克斯用非常簡單的幾何關(guān)系估測出地球和月亮的距離等于40倍地球半徑（精確的數(shù)值是60 倍），而太陽與我們的距離是月亮與我們的距離的20多倍（精確的數(shù)值是400 倍）。這些誤差是由于古代測量角度的方法精確度很低造成的，但是他所使用的分析方法是完全正確的。
當(dāng)代天文學(xué)已知的地月距離是精確度最高的，因為20世紀(jì)70 年代時執(zhí)行“阿波羅”任務(wù)的宇航員在月球上放置了很多小鏡子。如果你經(jīng)過格拉斯（Grasse）附近，可以在卡倫（Calern）高原觀察到一道指向天空的綠色激光，它是從藍(lán)色海岸天文臺的一個望遠(yuǎn)鏡上發(fā)射出來的。但是天文學(xué)家為什么要向月球發(fā)射激光呢？他們難道想鏟除某些邪惡的外星生物嗎？當(dāng)然不是，月球上除了荒野般遍布直徑小于1米的巖石、沙子、細(xì)小的灰塵和其他衍生物以外，什么都沒有。
激光發(fā)射器以固定的時間間隔從天文臺向月球發(fā)射極細(xì)的光束，這束光將被月球上的鏡子反射然后重新回到天文臺。從發(fā)射到再次接收到這束光的時間大約為2.5秒。通過測量光往返地球和月球之間所用的時間，我們可以以高達(dá)厘米級的精確度計算出我們的星球和它唯一的天然衛(wèi)星之間的距離。
亮度：測量距離的關(guān)鍵
確定造父變星的周光關(guān)系（變化周期和亮度的關(guān)系）是什么意思呢？造父變星是生命即將終結(jié)的巨大恒星。因為核“燃料”燃燒殆盡，造父變星的亮度會隨著時間產(chǎn)生微弱而規(guī)律的變化，這個變化周期的長短各有不同，短則幾日，長達(dá)數(shù)月。我們將它們稱為“造父”，是因為這種天體的原型是仙王座的造父一，當(dāng)然我們也可以給它們?nèi)e的名字。一開始它們被稱為“變星”，北極星就是這樣一顆變星。
周光關(guān)系還可以被描述為：天體的亮度隨著其變化周期增長而提升。如果一個造父變星的亮度相對較高，那么它亮度變化的頻率就相對較低。這個觀點是由亨麗埃塔·萊維特提出的，是我們在估測天空深度的探索過程中至關(guān)重要的轉(zhuǎn)折點。1907年起，萊維特巡視了無數(shù)小麥哲倫云的照片。大麥哲倫云和小麥哲倫云是我們銀河系的小型伴星系，在16世紀(jì)初被正在環(huán)球旅行的航海家麥哲倫命名，我們可以在南半球用肉眼看到它們。然而100年過去了，我們竟然還不知道麥哲倫云位于銀河系之外！
亨麗埃塔·萊維特確定了小麥哲倫云的造父變星的周光關(guān)系。而沙普利則通過測量一個已知距離的造父變星的周期確定了這顆恒星的絕對亮度，為天文學(xué)做出了卓越的貢獻。他還通過萊維特的工作推導(dǎo)出了周期和絕對亮度之間的關(guān)系。
我們現(xiàn)在仍然在使用這個方法，但僅限于距離較近的星系。實際上，變星非常罕見而且亮度相對較低。我們需要在星系中確定造父變星的位置，通過周光關(guān)系測量它的周期來確定其絕對亮度（即以瓦為單位的光強），然后通過比較變星的絕對亮度和視亮度（我們在地球上接收到的光通量，以瓦每平方米為單位）來計算星系的距離。
20世紀(jì)20 年代時，埃德溫·哈勃利用威爾遜山天文臺上一臺當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，通過這個方法第一次確定了河外星云的距離。這個發(fā)現(xiàn)印證了200年前康德的猜想：宇宙中存在其他的“宇宙島”。我們的宇宙大冒險終于可以開始了！數(shù)年后，哈勃還取得了一些其他重要成果，其中最為著名的是，他發(fā)現(xiàn)了一個非常簡單的通過遠(yuǎn)距離星系的運動估測其距離的方法，詳細(xì)內(nèi)容我將在之后的部分為大家解釋。
通往未知的第一步
1992 年，22歲的我在研究生即將結(jié)束時以實習(xí)生的身份加入了里昂天文臺喬治·帕蒂雷爾的團隊。從1970 年起，里昂的天文學(xué)家就致力于收集數(shù)據(jù)，想要確定近域宇宙中星系的距離。喬治與來自巴黎默東的兩姐妹呂西安娜·古蓋內(nèi)姆和呂塞特·博蒂內(nèi)利合作，主要在索洛涅的南賽觀測基地進行射電天文學(xué)的觀測活動。1983年，喬治決定成立自己的公司，用于收集所有已知的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅是他自己觀測到的，也包括其他來自別的觀測者的公開數(shù)據(jù)。世界上第一個河外星系數(shù)據(jù)庫—里昂-默東河外星系數(shù)據(jù)庫（LyonExtragalactic DAtabase, LEDA）就這樣誕生了。
現(xiàn)在，這家被命名為HyperLEDA的公司和美國國家航空航天局（NASA）河外星系數(shù)據(jù)庫（NASA IPACExtragalacticDatabase, NED）都是具有世界級影響力的資源庫。
這些新的河外世界的發(fā)現(xiàn)立刻吸引了我的注意力，我開始如癡如醉地閱讀與近域宇宙大結(jié)構(gòu)相關(guān)的科學(xué)文獻。這些文章帶領(lǐng)我穿越到了銀河系之外的世界，我想象著這個被天文學(xué)家命名為本星系群的宇宙一隅——我們的星系和它的兩個鄰居：仙女星系和三角星系，以及作為它們衛(wèi)星的矮星系在共同運轉(zhuǎn)著，像是一位佇立在緩慢移動的庭院中優(yōu)雅的皇后。不僅如此，我還看到仙女星系在向我們不斷靠近，這很危險！
矮伴星系就像行星環(huán)繞恒星一樣，圍繞著銀河系旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在我已經(jīng)遠(yuǎn)離本星系群，位于近域巨洞的邊緣了。我想象自己正在以接近光速的速度翱翔，可即便以這樣的速度穿梭著，我們的旅程依舊十分漫長……在“走”過了5000萬光年之后，我被眼前的壯觀景象驚呆了：上千個巨大的星系使得這片天空像是高峰時擁堵的道路一樣。
現(xiàn)在我身處室女星系團中，這里比我們的本星系群和它的鄰居們看起來壯觀得多。繼續(xù)向后退，我觀察到了幾個孤立星系和場星系，通過這些道路連接星系團。就像我可以在夜晚觀看高速路上的車燈，連接起一座都市的鄰近區(qū)域一樣。天爐、大熊和其他星系團共同組成了著名的“本超星系團”，這個超星系團看上去像是要將它的宇宙纖維延伸到長蛇-半人馬超星系團那里一樣。更遠(yuǎn)一點的英仙-雙魚超星系團、后發(fā)超星系團和孔雀-印第安超星系團以長達(dá)數(shù)億光年的半徑環(huán)繞著我們，大致勾勒出我們近域宇宙的邊界……現(xiàn)在我已經(jīng)頭暈?zāi)垦Ａ恕?/span>
圖注：近域宇宙放大圖
我覺得最初繪制宇宙全景圖的天文學(xué)家也像我一樣幻想過這樣的星際旅程，比如移居到美國的著名法國天文學(xué)家熱拉爾·德·沃庫勒爾。他于1953 年發(fā)表了證明本超星系存在的論文。在我們發(fā)現(xiàn)拉尼亞凱亞超星系團之前，本超星系被重命名為本超星系團。不僅如此，在我們研究星系分布的時候，這個舊的超星系坐標(biāo)系仍在使用。
這些建立在本超星系團的坐標(biāo)軸的形狀接近于平面。20 世紀(jì)60 年代時，唐納德·沙恩和卡爾·維爾塔寧首次總結(jié)并發(fā)表了他們統(tǒng)計的二維星系數(shù)據(jù)：那些遙遠(yuǎn)的星系似乎聚集成很大的結(jié)構(gòu)，被我們以較原始的方式用它們所在的天球星座的名字命名—長蛇座、半人馬座，等等。在第一次觀測中，研究者并未辨識單個星系，只是計算了它們在各個天球坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量，并沒有被單獨區(qū)分。
1986 年，巴黎天文臺的瓦萊麗·德·拉帕朗、美國天文學(xué)家瑪格麗特·蓋勒以及約翰·修茲勞繪制出了第一幅涵蓋了天球一小部分的三維宇宙圖，外觀呈扇面狀。與此同時，他們還發(fā)現(xiàn)了第一個由星系組成的大型結(jié)構(gòu)，并將其命名為“長城”（巨壁）。這個結(jié)構(gòu)足足長5億光年、高2億光年、寬1500 萬光年之大！更令人吃驚的是，他們證明了近域宇宙由一個個泡狀的結(jié)構(gòu)組成：空穴區(qū)被星系形成的墻像長城那樣環(huán)繞著。
編織我自己的繭
我的第一項工作是將LEDA數(shù)據(jù)庫中極其分散的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。實際上，這個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是由不同團隊用不同的儀器、不同的方法觀測并分析出來的。比如，天文學(xué)家經(jīng)常使用哈勃常數(shù)來估測星系的距離，但是這個常數(shù)并不是確定的。因此不同團隊所采用的不同數(shù)值會造成估算結(jié)果的差異。
更簡單的方法當(dāng)然是我們自己來完成這些觀測，這樣的話，所有測量細(xì)節(jié)都是已知的了。但是時間有限，當(dāng)代科研團隊可以測量的星系時間只有十幾年，當(dāng)然部分可能長達(dá)幾百年，但是不會再多了，而這僅僅是瀚海一粟！不過當(dāng)科學(xué)家舉行會議的時候，他們可以更高效深入地了解其他團隊使用的研究方法，并將其和自己的相比較，從而統(tǒng)一研究結(jié)果。
不幸的是，這種團隊之間的信息交換有時是不現(xiàn)實的。在這種情況下，我們必須等待觀測數(shù)據(jù)被充分分析，并且相關(guān)成果被發(fā)表在專業(yè)期刊中后，再收集數(shù)據(jù)。有時我們還需要等待這些數(shù)據(jù)被公開，就像被某個實驗室單獨開發(fā)的藥物的化學(xué)方程式一樣。天文學(xué)中不存在一個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)期限，所以我們的等待時長往往取決于所使用望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)條例。
在將全部可用的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一化之后，我們還需要重新分辨并剔除那些精確度不是很高的數(shù)據(jù)。這些工作一旦完成，就可以繪制我的第一份宇宙圖了。為了更好地了解這些結(jié)構(gòu)，我創(chuàng)造了一套自己的算法，它可以從不同的角度展示這張圖——這就是我為了將數(shù)據(jù)可視化所做出的第一次嘗試。
20世紀(jì)90年代初期，圖像的交換并不像現(xiàn)在這么簡單。我還記得為了讓其他學(xué)者看到這個河外星系圖，我們把計算機屏幕拍下來，然后將相片打印在透明的塑料頁上，以便于在會議中進行投影。雖然圖片的質(zhì)量非常一般，這些投影片仍幫助我們和其他學(xué)者順利交換了信息，我們也通過它們確定了星系的主要結(jié)構(gòu)。更重要的是，喬治對我第一份科研成果的認(rèn)可給予了我無限的信心和動力，這些鼓勵至今還在支持我不斷前進。
我曾經(jīng)繪制的第一份星系分布圖中描述的結(jié)構(gòu)和我們所預(yù)測的并不一致。接近我們的室女超星系團位于一個巨大泡狀結(jié)構(gòu)的中央：巨壁、英仙-雙魚超星系團和孔雀-印第安超星系團將我們環(huán)繞起來，形成了平滑的三維結(jié)構(gòu)，像“繭”一樣將我們與宇宙的其他部分分隔開來。因此喬治和我一起將我的第一個成果命名為“繭”，以此向里昂的傳統(tǒng)特產(chǎn)—絲綢致敬。
圖注：我得到的最初的宇宙圖，像一個“繭”的形狀
