但红移的意义远不止于此。对于遥远星系来说,红移主要来自宇宙学红移(Cosmological Redshift):宇宙本身在膨胀,导致星系之间的距离不断增大,星光被“拉长”了波长。通过测量红移值z(z = Δλ/λ?,Δλ是波长变化量,λ?是原波长),我们可以用宇宙学模型计算出星系的距离——这就是“红移距离”。
正是这个工具,让我们能突破可见光的限制,绘制出三维的宇宙地图。2000年启动的斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)是这一领域的里程碑。它用位于新墨西哥州阿帕奇波因特天文台的一台2.5米望远镜,对北天球的大片区域进行了地毯式扫描:不仅拍摄了星系的光学图像,还对每个星系进行了光谱观测,获取了它们的红移值。到2010年,SDSS已经测量了超过100万个星系的红移,构建了当时最精确的宇宙三维地图。
但南天的隐匿带依然是空白。因为SDSS的观测范围主要集中在北纬30度以上的区域,南天的银盘尘埃带几乎没有被覆盖。直到2012年,SDSS的后续项目eBOSS(Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)启动,它将观测范围扩展到了南天,并且使用了更高效的光谱仪,能在更短时间内测量更多星系的红移。与此同时,欧洲的盖亚卫星(Gaia)也在同期发射,它通过天体测量学(测量恒星的位置、距离和运动)绘制了银河系的三维结构,为我们提供了银盘尘埃带的精确模型——我们可以用盖亚的数据“减去”银河系自身的干扰,还原出隐匿带后面的星系分布。
三、撕开银河的阴影:南极墙的发现之旅
2015年,法国巴黎萨克雷大学(Université Paris-Saclay)的宇宙学家丹尼尔·波马雷德(Daniel Pomarède)和他的团队,决定利用SDSS、eBOSS和盖亚的数据,做一个“大胆的尝试”:绘制南天天球隐匿带后面的宇宙结构。
他们的第一步是“清理”数据。首先,他们用盖亚卫星的星际消光模型,计算出每个观测方向的尘埃消光量,然后将星系的视亮度修正为“真实亮度”——就像给被烟雾笼罩的物体擦去灰尘,让它们露出本来面目。接着,他们筛选出南天天空中红移值在0.01到0.1之间的星系——这个范围对应距离我们1.3亿到13亿光年的星系,正好覆盖了本超星系团及其周围的区域。
接下来是最关键的一步:识别隐藏的星系。由于银盘尘埃的遮挡,这些星系在光学图像中非常暗弱,甚至无法被SDSS直接探测到。但波马雷德的团队想到了一个办法:他们用“光度函数”(Luminosity Function)来预测某个区域应该存在多少星系——根据宇宙学的统计,宇宙中星系的亮度分布是已知的(比如,大部分星系是低亮度的矮星系,少数是高亮度的椭圆星系)。如果某个区域的“预期星系数量”远大于“观测到的星系数量”,说明那里有很多被尘埃遮挡的星系。
通过这种方法,他们找到了数千个“缺失的星系”——这些星系位于南天天球的隐匿带后面,虽然光学图像上看不到,但通过光度函数的预测,它们的存在是确定的。接下来,团队用这些星系的红移值,计算出它们的三维坐标,然后将这些点输入计算机,生成了一张三维宇宙地图。
当这张地图出现在屏幕上时,所有人都惊呆了:在南天的天空中,有一条巨大的“纤维状结构”从银盘下方延伸出来,跨度超过14亿光年,形状像一道横亘在南天的“墙”——它的南端接近南天极,北端则延伸到银盘的边缘,几乎覆盖了整个南天的隐匿带。
波马雷德将这个结构命名为“南极墙”(South Pole Wall),因为它位于南天极附近,且形状像墙一样连绵不绝。为了验证这个发现的正确性,团队做了多次交叉验证:他们用不同的光度函数模型重新计算,结果一致;他们用射电望远镜的数据(射电波能穿透尘埃)观测了南极墙中的部分星系,确认了它们的存在;他们还将这个结构与ΛCDM模型的预测对比,发现它的质量、大小和位置都符合模型的预期。
四、南极墙的“真面目”:14亿光年的宇宙纤维
那么,南极墙到底是什么?用宇宙学的术语来说,它是一个巨引源纤维结构(Giant Attractor Filament),属于宇宙网的“纤维”部分。它的基本特征可以概括为以下几点:
1. 规模:14亿光年的宇宙巨物
南极墙的跨度达到了14亿光年(约1.3×102?米),相当于银河系直径(约10万光年)的1400倍。如果把银河系比作一颗乒乓球,南极墙就是一个直径140公里的巨大球体——这足以容纳数百万个银河系。更惊人的是,它的质量:根据暗物质晕的分布计算,南极墙的总质量约为101?太阳质量(1太阳质量≈2×103?千克),其中暗物质占了约85%,剩下的15%是可见的星系、气体和尘埃。
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