融合了天文學、天體物理學以及宇宙學，科學家們正在探測我們所處的這張“宇宙之網(wǎng)”。

[圖片說明]：星系團暗示著其中有暗物質的存在。

　　整個宇宙就像一張復雜的網(wǎng)，所有的恒星和星系都附著在它之上。詩人們也許會因此吟唱，但是在這些華麗的詩篇中卻保藏著科學家們對宇宙的認識。揭開這張“宇宙之網(wǎng)”將會是天文學家、天體物理學家和宇宙學家們的下一個巨大挑戰(zhàn)。

　　宇宙之網(wǎng)是構筑宇宙的框架。它主要由占宇宙物質85%的暗物質構成，但是這些暗物質除了引力作用之外不存在其他任何的相互作用。在宇宙逐漸演化的過程中，出現(xiàn)了巨大的由物質聚集形成的纖維狀結構。在其中落戶的星系與恒星，它們發(fā)出的光芒打破了黑暗的寂靜。更為神奇的暗能量則驅動著宇宙加速膨脹，影響著宇宙之網(wǎng)的演化。

　　這就是宇宙的宏觀圖像?，F(xiàn)在科學家們正打算深入其中的細節(jié)。暗物質和暗能量的性質是什么？宇宙之網(wǎng)是如何精確組織的？宇宙之網(wǎng)張開的范圍從單個星系一直延伸到了可觀測宇宙的邊界。它的演化描繪著我們今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的復雜性。同時它也在簡約的宇宙學理論和豐富多彩的星系、星系團天體物理學之間架起了橋梁。

　　“對我來說，下個15年天文學和天體物理學中真正激動人心的事情就是認識我們看到的這張宇宙之網(wǎng)，”2007年12月聚會商討宇宙之網(wǎng)探測未來的106位科學家之一、加拿大多倫多大學的天文學家霍華德·葉（Howard Yee）說，“但我們目前還無法告訴你，在某個時刻這張網(wǎng)中的某個星系究竟有多大。”

　　探測宇宙之網(wǎng)的過程正改變著天文學的面貌。美國芝加哥大學的天文學家邁克爾·格萊德斯（Michael Gladders）說，科學家們正在用全新的眼光來看待星系。“我們將看到經(jīng)典天文學——在光學和紅外波段觀測遙遠的天體——的復蘇，唯一不同是我們現(xiàn)在一次能同時觀測幾百萬個目標，”格萊德斯說。

宇宙的組成

　　10年前，由于需要額外的引力來束縛星系，因此絕大多數(shù)的理論家都同意暗物質的存在。隨后緊接著的三個觀測幫助宇宙學家們明確了宇宙的精確組成。

　　1998年，兩個小組使用Ia型超新星爆發(fā)來測量宇宙的膨脹。讓他們驚訝的是，和預計的減速膨脹相反，他們發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。

　　與此同時，天文學家們也正在進行星系巡天。作為2度視場星系紅移巡天的一部分，天文學家們使用澳大利亞新南威爾士的3.9米英澳望遠鏡測量了約22萬個星系的三維空間位置。這個計劃從1997年開始一直持續(xù)到了2002年。另一方面，1998年啟動的斯隆數(shù)字巡天使用美國新墨西哥州的2.5米望遠鏡精確測量了80萬個星系。這些巡天的結果會幫助科學家們了解把星系束縛到一起的暗物質和把它們拆散的暗能量之間的相互作用。

　　之后的2003年，美國宇航局（NASA）的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）通過觀測宇宙大爆炸的余輝——微波背景輻射，為我們帶來了嬰兒宇宙的圖像。宇宙被認為始于無窮大的密度和溫度，隨后瞬間膨脹增大了100倍。在這個被稱為“暴漲”的階段之后，宇宙便放緩了膨脹的速度。40萬年后，宇宙進一步冷卻，使得質子和電子形成了氫原子。這一轉變釋放出了被束縛的光子，隨著宇宙的膨脹它就成了今天我們觀測到的溫度為2.725開的微波背景輻射。

　　微波背景輻射并不是完全均勻的。暴漲在新生的宇宙中放大的無窮小量子漲落最終成為了宇宙之網(wǎng)中纖維結構的種子。量子漲落同時還造成了微波背景輻射的溫度在全天的跨度上出現(xiàn)0.001%的變化。通過分析這一溫度起伏并且結合超新星和星系團的觀測數(shù)據(jù)，WMAP的科學家驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙由73%的暗能量、23%的暗物質和4%的普通物質組成，同時還得出宇宙的年齡為137億年。

[圖片說明]：微波背景輻射和所“對應”的星系分布。

　　“由于漲落足夠大利于測量，同時它又很小利于研究，因此微波背景輻射真是天賜良機，”NASA戈達德航天中心的宇宙學家蓋瑞·辛肖（Gary Hinshaw）說，“你可以立刻從漲落的譜中得到有關參數(shù)。”但是很多問題依然還不清楚，美國芝加哥大學的宇宙學家愛德華·庫伯（Edward Kolb）說。“我們大致的圖像是正確的，”他解釋道，“但是對于星系如何形成、如何相互作用的細節(jié)以及星系并合的重要性等問題還有待進一步的研究。”

身處玻璃魚缸

　　科學家們希望可以由近到遠、從現(xiàn)在到過去地追蹤宇宙之網(wǎng)。盡管我們已經(jīng)能觀測到來自大爆炸之后40萬年的輻射，但是我們也已經(jīng)開始探測我們附近的宇宙之網(wǎng)。因此我們有一點像是魚缸中的金魚，既能看到污跡斑斑的玻璃又能看到身邊的城堡。而兩者之間的正是有待發(fā)現(xiàn)的。

　　科學家們正在繪制位于暗物質纖維結構上的星系。2005年，他們在星系的分布和微波背景輻射之間建立起了聯(lián)系。在原子形成前物質進入原初漲落的時候，質子會撞擊光子，形成海嘯般掃過宇宙的聲波。根據(jù)在微波背景輻射中留下的印記，這些波在原子形成前大約傳播了10萬個秒差距，相當于32.6萬個光年。

　　隨著宇宙膨脹了1000多倍，長度結構也會顯現(xiàn)在星系中。美國賓夕法尼亞大學宇宙學家拉維·沙斯（Ravi Sheth）說，根據(jù)斯隆巡天的結果，通過比較星系之間的距離，科學家們發(fā)現(xiàn)對于某一個給定的星系隨著和它距離的增加發(fā)現(xiàn)另一個星系的概率也會增加。對這一“重子聲速振蕩”的更精確測量將會為科學家們提供另一條研究宇宙膨脹、揭示暗能量屬性的途徑。

　　同時科學家們也在通過對星系團的計數(shù)來探測宇宙之網(wǎng)，這些星系團是單個星系落入巨大暗物質團塊而形成的。星系團的尺度和數(shù)量可以揭示出暗物質的分布。同時，暗能量的拉伸效應則會抑制大質量團塊的形成。因此加拿大多倫多大學的葉說，統(tǒng)計不同紅移、不同大小的星系團的數(shù)量有望揭示出這兩者的性質。

　　此外他還說，使用光學和紅外望遠鏡能較為容易的觀測到星系團。這是因為星系團中的星系通常都較為年老，且其中充滿了紅巨星，它們會發(fā)出相同顏色的光。因此根據(jù)星系的顏色，天文學家們就能立刻區(qū)分出一個星系是否隸屬于某個星系團以及這個星系團的紅移。使用這一技術，葉及其紅色序列星系團巡天計劃的同事利用夏威夷的加拿大-法國-夏威夷望遠鏡已經(jīng)觀測了1000平方度的天空，發(fā)現(xiàn)了2萬個星系團。

　　通過觀測暗物質纖維結構的引力對遙遠星系影像的扭曲，科學家們正在試圖發(fā)現(xiàn)它們。美國賓夕法尼亞大學的宇宙學家蓋瑞·伯恩斯坦（Gary Bernstein）說，被稱為“弱引力透鏡”的這一技術使得科學家們可以直接探測暗物質團塊，而不必去尋找位于這些暗物質團塊中的恒星和星系。

　　由于弱引力透鏡效應，星系因此會看上去傾向于整齊排列，就像是魚群中的魚。2000年科學家第一次觀測到了這一現(xiàn)象，而2007年美國加州理工學院的天文學家理查德·梅西（Richard Massey）及其同事則又往前邁了一大步。利用哈勃空間望遠鏡拍攝的50萬個星系，他們把位于3個不同距離上的引力透鏡星系和宇宙之網(wǎng)的大致三維結構進行了對比。伯恩斯坦說，科學家們希望能在更大的范圍上進行類似的三維研究。

另眼看宇宙

　　使用光學和紅外望遠鏡觀測星系并不是研究宇宙之網(wǎng)的唯一途徑。射電天文學家通過觀測微波背景輻射中的“斑點”也能發(fā)現(xiàn)星系團的蹤跡。這些宇宙微波背景輻射中的斑點是由蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇效應造成的。加拿大蒙特利爾麥克吉爾大學的天體物理學家馬特·道布斯（Matt Dobs）解釋說，當背景輻射中的微波光子與星系團里高溫電離氣體中的電子發(fā)生碰撞的時候，會改變光子它的能量，暴露星系團的位置。他進一步說，由于這一效應并不依賴于星系團自身的亮度，這將有助于發(fā)現(xiàn)那些更暗弱、更遙遠的星系團。

　　到目前為止，絕大多數(shù)的觀測已經(jīng)探測到了由已知星系團造成的這一效應。但是由8架3.5米射電望遠鏡組成的蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇陣正在6平方度的天區(qū)分全盲搜索新的星系團。同時，位于智利的6米阿塔卡馬宇宙學望遠鏡和10米的南極望遠鏡也將分別掃描200和4000平方度的天空，它們將發(fā)現(xiàn)數(shù)千個星系團。

　　星系并不是科學家們的唯一選擇。絕大多數(shù)的普通物質并不在恒星和星系中，而是位于巨大的中性或電離氣體云中。天文學家通過觀測天上的燈塔類星體來探測這些中性氫云。不管什么時候只要類星體發(fā)出的光穿過中性氫，其中的一部分就會被吸收，并且在光譜中體現(xiàn)出來。美國卡內基研究所天文臺的天文學家邁克爾·勞奇（Michael Rauch）說，吸收發(fā)生的波長可以反映出中性氫云的紅移，吸收的寬度可以揭示出它的溫度，吸收的深度則可以告訴我們星云中氣體的含量。通過研究大量的類星體，科學家們希望借此能描繪出這些氣體在宇宙之網(wǎng)中的分布。

　　科學家們也許還能更進一步。當原子中的質子翻轉的時候，中性氫會在21厘米的波長上發(fā)射出射電輻射。天文學家們想通過它來探測宇宙年齡小于10億年時中性氫的分布，那時第一代恒星正在形成。但是，為了做到這一點，他們將需要使用計劃中的一平方千米陣（SKA），這個陣將由幾百架射電望遠鏡組成，計劃在下一個十年在澳大利亞或者南非建成。

我們成團的近鄰

　　星系形成于宇宙之網(wǎng)的小型節(jié)點中，科學家們正在試圖搞清楚它們是如何形成的。因為星系中暗物質占主導的圖像很模糊，因此搞清楚這個問題十分重要。“在大尺度上暗物質模型與觀測符合得很好，”美國哥倫比亞大學的天體物理學家凱瑟琳·約翰斯頓（Kathryn Johnston）說，“但是在小尺度上就存在一些問題了。”例如，數(shù)值模擬預言銀河系應該擁有比目前觀測到的更多的小型衛(wèi)星系。

　　目前天文學家們對星系的形成知之甚少，在他們的數(shù)值模擬中他們僅僅讓暗物質在其中演化，只是到最后才把星系“畫”到暗物質團塊和節(jié)點中去。為了填補認識上的空白，天文學家們正在研究我們自身——銀河系。“銀河系是唯一一個我們能獲得其中恒星位置和速度三維數(shù)據(jù)的星系，”美國倫斯勒理工學院的天體物理學家海蒂·紐伯格（Heidi Newberg）說。

[圖片說明]：星系碰撞?，F(xiàn)在認為，類似銀河系這樣的大型星系都是通過小型星系并合而形成的。

　　銀河系中的絕大部分恒星都位于銀河系的薄盤中，而同時薄盤被暗物質暈所包圍?？茖W家們曾經(jīng)認為這個暈是平滑的，其中的恒星也是均勻分布的。在過去的十年中，正是由于斯隆巡天對恒星的研究才使我們逐漸轉變了觀點。“當我們不斷挖掘數(shù)據(jù)，我們就會看到越來越多的成團性，”紐伯格說，“它們到處都是，大小不一，有的甚至還能貫穿整個天空。”

　　紐伯格說，因此暈看來只能是通過小型星系并合所產(chǎn)生的。當小型星系掉入銀河系的時候，銀河系的引力會它們身上拉出一條潮汐星流，例如人馬座星流。通過測量恒星的位置和速度，科學家們可以從統(tǒng)計上確定哪些恒星屬于星流。而通過比較這些恒星的化學組成，它們就可以被更清楚地區(qū)分開。

融會貫通

　　最終，宇宙之網(wǎng)會在宇宙學和天文學與天體物理學之間架起一座橋梁。宇宙學家們渴望簡化宇宙，只留下最基本的成分和規(guī)律。天文學家和天體物理學家們則試圖研究天體如何演化以及它們之間是否彼此關聯(lián)。總體上講，宇宙之網(wǎng)把這兩者網(wǎng)羅到了一起。實際如何還需拭目以待。“從現(xiàn)在起的10年或者20年后，我們也許可以回過頭來看它的整合作用，”庫伯說，“但是現(xiàn)在我們還有一步之遙。”

　　然而，對宇宙之網(wǎng)的關注正在改變天文學的基本面貌，促成了越來越大規(guī)模的巡天。例如，雖然斯隆巡天仍在繼續(xù)，但是暗能量巡天計劃的科學家打算使用智利中美洲天文臺的4米布蘭科望遠鏡觀測5000平方度的天區(qū)、精確測量2億個星系。從2008年起，全景巡天望遠鏡與快速反應系統(tǒng)將開始對全天3/4的天區(qū)進行巡天。同時科學家們已經(jīng)提議建造口徑8.4米的大口徑全天巡視望遠鏡，通過采用30億像素的照相機同時可觀測10平方度的天區(qū)。并計劃從2014年起測定30億個星系的位置和紅移。

　　許多項目都打上了“越大越好”的標簽。“你身處這一大潮之中，”美國國家射電天文臺天文學家史蒂文·邁耶斯（Steven Myers）說，“大規(guī)模巡天的新時代即將到來。”

　　隨著巡天計劃正在變得越來越大，一些學者開始討論觀測宇宙中所有可觀測的1千億個星系。美國密歇根大學的天體物理學家、同時也為斯隆巡天和暗能量巡天工作的蒂莫西·麥克凱（Timothy McKay）說，雖然宇宙總會在你面前呈現(xiàn)出新的神秘，但是科學家們總有一天會搞清楚它的所用重要特征。“我們應該放眼未來，到那時我們可觀測的宇宙將變得歷歷在目，”他說，“現(xiàn)在潛藏在宇宙中的未知事物將會在我們的有生之年暴露在我們的眼前。”

　　然而，天文學家們暫時不會把所有的星系都觀測完。同時，為了更深入地了解我們所處的這張宇宙之網(wǎng)，科學家們還有很多事情要做。