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(tuán)”，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(cuò)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(gè)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(shí)的天文學(xué)家還不能為這個(gè)現(xiàn)象提供一個(gè)完美的解釋。90 年代，美國的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了我們所在的這個(gè)超星系團(tuán)，并將其命名為拉尼亞凱亞超星系團(tuán)。

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(tuán)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(gè)詞起源于夏威夷語“無盡的天空”之意。實(shí)際上，這個(gè)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(gè)與我們的星系規(guī)模相似的星系，以及100萬個(gè)更小的星系。這相當(dāng)于包含了約1億億個(gè)太陽！這就是我將向你們講述的拉尼亞凱亞超星系團(tuán)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(diǎn)”、右下為“超星系團(tuán)（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(shí)現(xiàn)這個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動情況。這個(gè)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(shí)看到的可見光竟然在恐龍存在的時(shí)候就離開這些星系了！我們用“近域”這個(gè)詞來形容我們所在的區(qū)域，是因?yàn)榧幢闶俏覀兝L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(shí)，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(xiàng)工作。我認(rèn)為這才是真正重要的地方。因?yàn)椤盀槭裁础钡拇鸢革@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(xiàng)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(jìn)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(jì)算機(jī)程序收集和分析數(shù)據(jù)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。而要回答“如何”這個(gè)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(gè)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(gè)維度可以幫助我們找到第三個(gè)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(gè)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(shí)是怎么工作的！”

看到立體的天空：第三個(gè)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(gè)有趣的天體在哪里的時(shí)候，最大的困難就是讓他準(zhǔn)確找到那個(gè)目標(biāo)——那個(gè)小家伙雖然明亮，卻迷失在上百個(gè)像它一樣的發(fā)光體中。然后這個(gè)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(shí)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(gè)個(gè)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?yàn)橹行牡那蝮w，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(gè)星座，以此來保證每個(gè)天體只屬于一個(gè)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(gè)天體在這個(gè)格子里的坐標(biāo)進(jìn)行定位。所以在赤道坐標(biāo)系中，一個(gè)天體的方向由兩個(gè)角度決定：它的赤緯對應(yīng)一個(gè)點(diǎn)在地球上的緯度，赤經(jīng)對應(yīng)這個(gè)點(diǎn)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(gè)重要的問題：兩個(gè)在天球面上極其接近的天體，比如兩個(gè)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(shí)際位置。這個(gè)缺失的第三個(gè)維度是深度，也就是我們所觀察的天體的實(shí)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?yàn)樯疃鹊男畔⒁呀?jīng)被我們的大腦自動處理了。這個(gè)任務(wù)對我們來說很簡單的原因有兩個(gè)：首先，我們已經(jīng)知道了物體的實(shí)際尺寸，因此通過看到的大小就可以估計(jì)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(gè)數(shù)量級的，大腦可以通過雙眼同時(shí)獲取兩個(gè)分離的點(diǎn)的位置，在固定的背景上估計(jì)這個(gè)物體的距離，這個(gè)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(shí)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(gè)物體定義一個(gè)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(gè)點(diǎn)。即使在地球的兩端放兩個(gè)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?yàn)橄噍^于宇宙中的距離，地球?qū)嵲谑翘×恕?/span>

所以宇宙圖是一項(xiàng)極具開創(chuàng)意義的發(fā)明，它不僅解決了這個(gè)難題，還讓我們可以測量第三個(gè)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(shí)際上，得到離我們很近的天體的第三個(gè)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(shí)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?yàn)?/span>20世紀(jì)70 年代時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間，我們可以以高達(dá)厘米級的精確度計(jì)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?yàn)楹恕叭剂稀比紵M，造父變星的亮度會隨著時(shí)間產(chǎn)生微弱而規(guī)律的變化，這個(gè)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?yàn)檫@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(gè)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(gè)觀點(diǎn)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(diǎn)。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(gè)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(xiàn)。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(gè)方法，但僅限于距離較近的星系。實(shí)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(qiáng)），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(jì)算星系的距離。

20世紀(jì)20 年代時(shí)，埃德溫·哈勃利用威爾遜山天文臺上一臺當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，通過這個(gè)方法第一次確定了河外星云的距離。這個(gè)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(xiǎn)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(gè)非常簡單的通過遠(yuǎn)距離星系的運(yùn)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(shí)以實(shí)習(xí)生的身份加入了里昂天文臺喬治·帕蒂雷爾的團(tuán)隊(duì)。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(jìn)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(gè)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(xiàn)。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(gè)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(gè)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(yùn)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(xiǎn)！

矮伴星系就像行星環(huán)繞恒星一樣，圍繞著銀河系旋轉(zhuǎn)?，F(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(gè)巨大的星系使得這片天空像是高峰時(shí)擁堵的道路一樣。

現(xiàn)在我身處室女星系團(tuán)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(gè)孤立星系和場星系，通過這些道路連接星系團(tuán)。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(tuán)共同組成了著名的“本超星系團(tuán)”，這個(gè)超星系團(tuán)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(tuán)那里一樣。更遠(yuǎn)一點(diǎn)的英仙-雙魚超星系團(tuán)、后發(fā)超星系團(tuán)和孔雀-印第安超星系團(tuán)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(tuán)之前，本超星系被重命名為本超星系團(tuán)。不僅如此，在我們研究星系分布的時(shí)候，這個(gè)舊的超星系坐標(biāo)系仍在使用。

這些建立在本超星系團(tuán)的坐標(biāo)軸的形狀接近于平面。20 世紀(jì)60 年代時(shí)，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(jì)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(gè)星系，只是計(jì)算了它們在各個(gè)天球坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量，并沒有被單獨(dú)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(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)由星系組成的大型結(jié)構(gòu)，并將其命名為“長城”（巨壁）。這個(gè)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(gè)個(gè)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(xiàng)工作是將LEDA數(shù)據(jù)庫中極其分散的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。實(shí)際上，這個(gè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是由不同團(tuán)隊(duì)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(gè)常數(shù)并不是確定的。因此不同團(tuán)隊(duì)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(shí)間有限，當(dāng)代科研團(tuán)隊(duì)可以測量的星系時(shí)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(shí)候，他們可以更高效深入地了解其他團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)之間的信息交換有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)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(shí)我們還需要等待這些數(shù)據(jù)被公開，就像被某個(gè)實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)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(gè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)期限，所以我們的等待時(shí)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(gè)河外星系圖，我們把計(jì)算機(jī)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(jìn)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(lì)至今還在支持我不斷前進(jìn)。

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(tuán)位于一個(gè)巨大泡狀結(jié)構(gòu)的中央：巨壁、英仙-雙魚超星系團(tuán)和孔雀-印第安超星系團(tuán)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(gè)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(gè)“繭”的形狀