地球究竟处在宇宙的什么位置？首幅三维宇宙全景图揭示银河系新地址

地球究竟处在宇宙的什么位置？首幅三维宇宙全景图揭示银河

系新地址

在茫茫宇宙中，我们的星球究竟处于什么位置？2014年9月，第一幅三维宇宙全景图横空出世，法国科学家海伦·库尔图瓦宣布发现了迄今已知、人类所处的最大的宇宙结构——“拉尼亚凯亚超星系团”，这便是我们银河系的家园。

海伦将其研究过程写成了一本书《宇宙地图》。书中丰富的宇宙学知识和大量宝贵的观测数据，无疑是宇宙爱好者不可错失的收藏。以下为原文摘录：

我们的星系和它的邻居们在宇宙中以每秒几百千米的速度移动着！这个观测结果从20 世纪60 年代初便被发现了，但当时的天文学家还不能为这个现象提供一个完美的解释。90 年代，美国的一个团队认为这种移动是由一种巨大的质量引起的，即“巨引源”。不幸的是，由于巨引源所处的位置，我们很难对其进行观测。

然而里昂的天文学家做到了！通过对巨引源的研究，我的团队发现了我们所在的这个超星系团，并将其命名为拉尼亚凯亚超星系团。

我们的宇宙新地址

从2014年9月4日起，我们正式有了新的宇宙地址！这天是我们宣布发现拉尼亚凯亚的文章发表在《自然》期刊上的日子。迄今为止，拉尼亚凯亚超星系团是我们已知的、人类所处的最大的宇宙结构。拉

尼亚凯亚这个词起源于夏威夷语“无尽的天空”之意。实际上，这个尺度大到我们难以理解：它的直径大约为5亿光年，也就是光需要花5 亿年才能从它的一端传播到另一端。它包含约10万个与我们的星系规模相似的星系，以及100万个更小的星系。这相当于包含了约1亿亿个太阳！这就是我将向你们讲述的拉尼亚凯亚超星系团的发现过程，我们为之付出了诸多努力。

图注: 左上为“太阳系”、右上为“星系”、左下为“宇宙结点”、右下为“超星系团（拉尼亚凯亚）”

什么是宇宙全景图

宇宙学是天文学中的一大分支，主要研究大爆炸之后的宇宙结构和宇宙发展过程。为了实现这个目标，宇宙学家首先需要确定目前宇宙中存在的天体结构，并由此推断它们是如何相互影响的。这个过程能够帮助我们追溯并绘制宇宙编年史：从物质分布得更加均匀的宇宙初期，一直到现在这些复杂结构的形成。

宇宙学家在某种意义上相当于宇宙的“历史地理学家”，他们可以从事的工作涵盖了从纯理论到实验科学的不同领域。在这些领域之中，我所研究的是“宇宙结构学”，也就是为我们的宇宙绘制地图。更具体地讲，我的工作是确定我们周围星系的位置及其运动情况。这个领域的研究范围，用天文学术语来说是近域宇宙。

有趣的是，这里说的“近域”可是距离地球数亿光年的地方了！不仅如此，我们观察本星系群时看到的可见光竟然在恐龙存在的时候就离开这些星系了！我们用“近域”这个词来形容我们所在的区域，

是因为即便是我们绘制的最大的宇宙图也仅仅包括了可观测宇宙的一百万分之一。

当我去学校向学生们解释我的工作时，他们从来没问过“为什么”我们要绘制宇宙全景图，而是问“如何”才能完成这项工作。我认为这才是真正重要的地方。因为“为什么”的答案显而易见：我们需要一张地图来知道我们到底在哪！知道我们的位置，难道不是确定我们即将前往哪里的必要条件吗？并且这可以让我们知道我们从哪儿来，或者说我们是谁？

而关于“如何”完成这项工作，答案就复杂得多了，并且这会引出其他很多问题。当代天文物理学家是如何工作的？他们还是像400 年前的伽利略一样盯着望远镜吗？他们需要爬完世界上所有的山来收集新的数据，通过分析和模型拟合来进一步拓展我们的认知吗？更确切地说，我作为大学教授的工作包括什么呢？我需要白天授课然后夜晚观测吗？

我的日常工作中，借助计算机程序收集和分析数据是一个很重要的环节。而要回答“如何”这个问题，就需要解释我的研究方法：天空区域的选择。圆弧形的天球面包括两个维度：望远镜指向的方向和估测想要研究的星系的距离，这两个维度可以帮助我们找到第三个维度。然后我们要借助不同的方法来推导它的速度，从而建立环绕我们这个空间的全新移动宇宙图—我们叫它“动态图”。学生们经常向我抱怨：“仅凭这些我根本无法想象你平时是怎么工作的！”

看到立体的天空：第三个维度

你一定见过业余版的宇宙图，但是当你试图在夏日的夜晚向你的同伴形容某个有趣的天体在哪里的时候，最大的困难就是让他准确找到那个目标——那个小家伙虽然明亮，却迷失在上百个像它一样的发光体中。然后这个原本有趣的话题很可能就变成了一大堆让人头疼的复杂解释，这时你大概就该后悔没成为一名受过专门训练的天文学家了。

天文学家可以准确描述某颗星所处的天空，这让问题变得简单多了。在我们了解将天球分区成一个个星座的重要性之前，其他人一定

也遇到过类似的麻烦。天球就是有着无限半径的、以地球为中心的球体，宇宙中所有天体都像是被挂在上面一样。星座是在天球中彼此接近的天体，我们将它们随意地连接起来，绘制出引人遐想的形状。

此外，虽然国际天文学联合会已经由官方认定，将天球面分成了88 个星座，以此来保证每个天体只属于一个星座，星座的定义在不同的文明里仍是不一样的。所以为了更加精确，天文学家用画十字的方法给天球分区：一系列虚圆环经过南极和北极，另外一系列虚圆环和赤道平行，就像是地球上的经纬线一样。然后他们用每个天体在这个格子里的坐标进行定位。所以在赤道坐标系中，一个天体的方向由两个角度决定：它的赤纬对应一个点在地球上的纬度，赤经对应这个点在地球上的经度。

无论是非常精确地使用坐标还是使用星座，定位研究中都存在一个重要的问题：两个在天球面上极其接近的天体，比如两个属于同一星座的天体，真的离得很近吗？

首先，答案是否定的！我们几乎无法跨越的障碍，是将投影在天球面的二维坐标转换成三维的实际位置。这个缺失的第三个维度是深度，也就是我们所观察的天体的实际距离。在日常生活中，我们并不会在判断物体的距离上遇到困难，因为深度的信息已经被我们的大脑自动处理了。这个任务对我们来说很简单的原因有两个：首先，我们已经知道了物体的实际尺寸，因此通过看到的大小就可以估计它的距离；其次，物体距我们的距离和我们双眼之间的距离是属于同一个数量级的，大脑可以通过双眼同时获取两个分离的点的位置，在固定的背景上估计这个物体的距离，这个方法叫作三角测量原理。