我們的宇宙地址

科學人雜誌 – 2016 年 12 月 19 日

撰文／萊貝斯凱德（ Noam I. Libeskind ）、杜里（ R. Brent Tully ）
翻譯／李沃龍

繪製宇宙的物質分佈圖，讓我們了解自身所處的銀河系，原來屬於一個比以往想像更巨大的超星系團，而這只是了解我們宇宙大尺度結構的第一步。

想像你自己前往某個遙遠的星系，寄一張明信片回家。地址的順序從街道門號、城市名稱及其所在國家，到標明地球和太陽系，接下來是太陽所屬的獵戶座分支（位於銀河系「郊區」的一段旋臂上），再填上銀河系和本星系群。

本星系群位於室女座星系團的外緣，聚集超過 50 個星系，擴展綿延 700 萬光年。室女座星系團的範圍更廣達 5000 萬光年，擁有超過 1000 個星系，但仍遠不及蔓延一億光年、包含數百個星系群的本超星系團。一般認為宇宙最大尺度的結構就是由超星系團組成，例如龐大不規則的細絲（ filament ）以及幅員寬廣的星系薄片（ sheet ），周圍是不含任何星系的空洞（ void ）。

一直以來，我們的宇宙地址都只寫到本超星系團為止。超過這個尺度，方位就變得毫無意義，那些捲縮起皺、鑲著星系的薄片和空洞之外盡是均勻的宇宙。但 2014 年，本文作者之一杜里的研究團隊粉碎了傳統的觀點，我們其實身處更加宏偉的結構，本超星系團不過是更巨大超星系團的一小部份。這個結構擁有 10 萬個大型星系，延伸近四億光年。該研究團隊將其稱為「拉尼亞凱亞」（ Laniakea ），也就是夏威夷語中的「無盡的天堂」，藉此向依靠星象在廣闊太平洋航行的玻里尼西亞人致敬。銀河系距離拉尼亞凱亞的中心相當遙遠，我們位在最外側的窮鄉僻壤。

拉尼亞凱亞的發現，不只是更新了我們的宇宙地址。科學家研究此巨大系統的構造與動力學性質，可以更加認識宇宙的演化方式；科學家描繪組成星系的分佈與運動，可以了解星系形成與成長的過程，以及更多關於暗物質本質的知識；天文學家相信這種不可見的物質佔了宇宙物質的 80%。

拉尼亞凱亞也有機會幫助我們解開暗能量之謎。科學家直到 1998 年才發現宇宙加速膨脹，暗能量可能驅動這個現象，也主宰了宇宙的命運。此外，我們的宇宙地址可能還不完整，還有更巨大的結構等待我們發現。

循著星系流探索

發現拉尼亞凱亞其實是一場意外。杜里的團隊本來正嘗試解答一些宇宙本質的問題，而拉尼亞凱亞就在過程中逐漸浮現。

一個世紀前，科學家就知道宇宙正在膨脹。宇宙就像逐漸脹大的氣球，表面上的每個點都是星系，間距越來越大，星系益發遠離彼此。不過最近數十年科學家發現，大多數星系不像預期的那樣迅速遠離，宇宙膨脹似乎不是星系唯一的動力，周遭物質的重力也會改變星系運動，甚至足以抵消大範圍宇宙膨脹的影響。這股周遭物質對星系運動的影響，就是所謂的本動速度（ peculiar velocity ）。

如果考慮所有恆星、氣體與一般物質，計算出的星系本動速度只有觀測值的 1/10 。天文學家因此把一些必須存在、卻探不出底細的重力源稱做「暗物質」。我們假設暗物質只透過重力與其他物質作用，與電磁力和其他作用力無關。考量暗物質施加的重力，可解釋本動速度觀測與理論上的落差。科學家認為星系就像被一池暗物質包圍：暗物質如同隱形支架，支撐著星系的聚合。

杜里與其他研究團隊都理解，只要繪製出星系流與本動速度的關係圖，就能揭露暗物質在宇宙中的分佈；檢視這些神秘物質對星系的影響，便可找出這些物質分佈最密集的區域。舉例來說，如果發現大量星系全都朝向某特定地點運動，我們就可假設該區域的物質密度極高、重力極強，會吸引星系。

該研究團隊也認為，若能弄清楚宇宙中所有物質的密度分佈，將有助於解決另一樁更深奧且違反直覺的秘密：宇宙加速膨脹。想像你朝著天空丟擲石頭，石頭不落回地面卻直上天際。這個詭異現象的來源稱為「暗能量」，對宇宙的命運有深遠的影響。加速膨脹代表宇宙將無法逃避冰冷的死劫。最終的黑暗降臨前，大多數星系以越來越快的速度彼此遠離，直到所有星系的恆星都孤寂死去，物質的溫度也都降到絕對零度。

要確認宇宙的未來是否真的如此寒冷寂寥，除了掌握暗能量的本質，更需要知道宇宙中物質含量的多寡。假如物質密度夠大，重力或許能在遙遠的未來逆轉宇宙膨脹，讓空間收縮；或者物質密度可以與宇宙膨脹達到平衡，空間因此進行無止境的減速膨脹。

也就在繪製星系流的軌跡圖以了解宇宙物質分佈時，我們看到了拉尼亞凱亞。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人 2016 年第 177 期 11 月號】