從非常大的尺度來看，宇宙是由物質簇交織而成的網狀結構，中間穿插着巨大的空洞。圖片來源：Volker Springel/Max Planck Institute For Astrophysics/SPL
撰文|不周
審校| clefable
2021年，亞歷克西婭·M.洛佩斯（Alexia M. Lopez）正在英國中央蘭開夏大學（University of Central Lancashire）攻讀研究生學位。當洛佩斯將目光投向93億光年外的牧夫座時，她驚訝地發現，一個由45~50個氣體雲組成的星團，似乎在宇宙空間中排列成一條近乎對稱的巨大新月形結構——巨弧（Giant Arc）。作為對比，目前可觀測的宇宙寬約940億光年，而這條巨弧在宇宙空間中橫跨33億光年，幾乎有可觀測宇宙半徑的1/15之多。
對於洛佩斯而言，這樣大尺度的巨弧幾乎可以稱得上「超現實」，它的存在似乎違背了宇宙應該是各向同性的宇宙學原理。「我不得不掐自己一下，這是一個意外的發現，我根本不敢相信這個觀測結果，」在接受BBC採訪時，她感嘆道。洛佩斯在2021年6月的美國天文學會議上介紹了巨弧的發現，並於2022年10月將這項結果發表在了《英國天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。而洛佩斯與這種奇特結構的緣分卻並沒有止步於此。
今年1月，在美國天文學會（AAS）舉辦的第243界會議上，洛佩斯再次報告了一個大尺度結構——巨環（Big Ring），它與此前發現的巨弧距離相對較近，均位於牧夫座附近。巨環的直徑大約有13億光年，倘若我們能在地球上用肉眼看到，其大小大概會是夜空中滿月大小的15倍。看上去，這個環是一個幾乎完美的圓，但根據洛佩斯的分析，它更像是一個螺旋線圈，只不過圈孔正對向地球。儘管和巨弧相比，巨環的直徑小了許多，但其周長卻與巨弧相當。
藝術概念圖：如果能在地球上看到巨弧和巨環，它們在天空中的大致分佈。
圖片來源：Stellarium/University of Central Lancashire/PA
然而，這些壯觀的大尺度結構（large scale structure）不僅僅是在尺寸上大得引人注目，更關鍵的是，它們的存在仿佛在向天文學家發起挑戰：宇宙學標準模型或許需要被重寫或修正。
宇宙是均勻的……嗎？
如果從足夠大的尺度上觀察整個宇宙，通常會認為物質和時空的分佈是均勻且各向同性的，也可以說，宇宙是光滑平坦的。這樣的描述被稱為宇宙學原理，它和愛因斯坦的廣義相對論共同構成了宇宙學標準模型的理論框架基礎。其中均勻、各向同性意味着，不管我們位於宇宙中的哪一處，從任意方向觀測宇宙，看起來都應該是一樣的。
儘管宇宙學原理描述宇宙是均勻的，但如果觀測宇宙時，像變焦鏡頭那樣「聚焦」而後漸漸「拉遠」，我們會看到多顆行星圍繞着一顆恆星運轉，億萬顆恆星組成了一個星系，成千上萬的星系構成了星系團，星系團又組成了超星系團。這些星系彼此靠近，在大尺度上形成絲狀物，穿梭在廣袤的宇宙空間中，彼此交織相連，構成了一個佈滿星際空間的3D宇宙網。絲狀物自然是物質聚集之處，而除此之外的，則是物質密度極低的空洞區域。如此看來，宇宙還算是均勻的嗎？
宇宙網藝術概念圖。
圖片來源：NASA
準確來說，是否均勻要取決於觀測尺度。如果將宇宙比作海洋，從近處（相對而言）看海面會是波濤洶湧，從遠處看卻是平滑如鏡。而在大尺度上，宇宙網中的物質分佈的確是均勻的。但在相對較小的尺度上，網狀結構本身就表明了物質的不均勻分佈。事實上，宇宙網這樣的大尺度結構正是令科學家費解的源頭——物質分佈的不均勻究竟源自何處？宇宙又是如何演化成如今我們觀測到的樣貌？
為此，天文學家一直在試圖更精準地測量宇宙中的眾多天體，不管是恆星、星系還是遙遠的星系團，希望能藉此創建精確的宇宙地圖，以此加深對宇宙的理解。斯隆數碼化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）便是因此而誕生的項目，而洛佩斯正是在SDSS過往數據中觀察類星體的吸收線時，發現了這些不合理的結構。
洛佩斯發現的「巨弧」和「巨環」，就像是平滑表面上出現了一些顯眼的「疙瘩」。這兩個結構靠得如此近，甚至可以把它們合併看成一個超大型結構，「問題是，如何才能形成這樣大型的結構？」英國華威大學物理系教授唐·波拉科（Don Pollacco）說道。很難具體地想像這種結構形成的機制，但這一定與宇宙大尺度結構的形成過程有關。
根據宇宙學標準模型，宇宙開始膨脹時，物質密度微小的擾動導致部分區域的物質聚集，經過數十億年的演化，引力最終導致這些團塊凝聚成了恆星和星系，最終形成了我們觀測到的宇宙大尺度結構。英國牛津大學的理論物理學教授蘇比爾·薩卡(Subir Sarkar)表示，但這一過程需要足夠長的時間。宇宙的年齡有限，因此在理論上並不足以形成直徑超過12億光年的物體。那麼，尺度超過30億光年的巨弧和巨環的形成過程究竟要如何解釋，或許還需要更進一步的探討。
充斥着龐然巨物
不過，天文學家發現的大尺度結構並非只有洛佩斯的「弧」和「環」。事實上，早在1989年，兩位天文便在宇宙中觀測到了一座星系「長城」，被稱為CfA2巨壁（CfA2 Great Wall）。這堵星系聚集而成的牆，長約5億光年，寬約3億光年，厚約1500萬光年。此後，2003年，又有天文學家發現了更長的星系牆——斯隆巨壁（Sloan Great Wall），長約15億光年。
而在過去的十年裏，隨着天文觀測技術的飛速發展，天文學家發現這些龐然巨物的速度也在不斷提升。2016年，天文學家發現了跨度長達10億光年的BOSS巨壁（BOSS Great Wall），它由830個獨立星系組成。不過，目前最大的大尺度結構還要數2013年被發現的武仙-北冕座巨壁（Hercules-Corona Borealis Great Wall），它的跨度達到了100億光年，已超過可觀測宇宙大小的十分之一。
圖片來源：Wikipedia
這些龐然巨物可以說是宇宙中尺度最大、質量最重的結構。它們多數超出了理論上「可能形成」的尺度限制，也逼迫着標準模型不斷修正。（這一過程時有發生，比如上世紀有兩次修正，一次引入了暗物質，另一次引入了暗能量。）事實上，在早些年發現存在斯隆巨壁這樣的大尺度結構後，天文學家預測，未來更深入的星系調查，會讓我們見到更多類似的結構，比如巨弧和巨環。
不過，也有科學家對洛佩斯的研究提出質疑。我們在仰望天空觀賞雲的多種形態時，可以從中看出「A、b」字母形狀，甚至還有各種動物，這是因為我們非常善於從隨機的物體中提煉出一個模式，但這並不是真正的結構。所謂星系團排列成「弧形」或「環形」，是否只是天體偶然的排列呢？在2021年巨弧這項研究中，洛佩斯進行了一系列統計測試，證明其結果的置信度為99.9997%。薩卡表示，在這種情況下，可以認為這是一條真正的超星系團鏈條。新發佈的巨環研究目前仍未經同行評審，或許還需要進一步驗證。
