從太空寄明信片回家,你的宇宙地址是?

從太空寄明信片回家,你的宇宙地址是?
Photo Credit:科學人

我們想讓你知道的是

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。

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

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5,000萬光年,擁有超過1,000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)。

SM177-054
Photo Credit:科學人

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。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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