DDS029-「宇宙的三維立體圖」

在前面㡬篇「部落格」短文中，我先後分別針對「宇宙」的「大小和形狀」（DDS023-「宇宙有多大？」），「膨脹說」（DDS027-「宇宙膨脹說」）以及「多重宇宙」（DDS028-「我們只有一個宇宙嗎？」），給讀者做了一些簡介和說明，接下來，好學的讀者，你或許會問，以上說了半天，那「宇宙」到底看起來像什麼樣子？是不是也有可能，如同我們平時看「地圖」時那樣，也能有個稍微具體的「宇宙輿圖（cosmography）」可以瞧瞧？

問的好，下圖即是今年，由法國里昂大學和美國夏威夷大學研究團隊，發佈的最新「宇宙輿圖」（credit: Helene Courtois from the University of Lyon and researchers from the University of Hawaii，以下均同），要注意的是，該輿圖代表的只是整個「宇宙」中極小的一部分（僅佔全宇宙的 0.32%），因為它是以地球為觀測點，向外延伸 3 億光年距離，所能測繪出來，各大、小星體和銀河系的圖像。圖中顏色的深淺，代表的是它們與地球間的不同距離〔註：此處的距離以速度表示，因為「宇宙」是一直在持續加速膨脹的，離地球愈遠的星系，速度愈快。〕；藍色代表距地球近，紅色代表距地球遠。

既使這樣，由於該圖還只是一幅平面圖，很難在視覺上，讓人感受到「宇宙」的立體形貌，為此，該團隊就更進一步，透過其自行研發的電腦模擬軟件，將其轉換繪製成「宇宙的三維立體圖」〔見下圖（上）〕。令人驚嘆的是，該團隊甚至繪製出一張「宇宙流場」圖〔見下圖（下）〕，該圖有如我們習見的海洋流場圖（ocean current map），它顕示各大、小銀河系（以圖中的大、小白色圓點為代表），在「宇宙」中流動的情形（the current of galaxies in the universe）。圖中左上角紅黃色區塊，代表的是衆多銀河齊聚集中之處（稱之為 the Great Attractor region），由於其超巨大的質量和引力，使得其他鄰近各個大、小銀河系，如同漂浮在海面上的腐木枯枝，隨著水流方向，向其流去，而深藍色區域，則代表該處水流強度較低，甚或是靜止的。

雖然如此，以上所描繪的圖像，仍只是「現在」這個時間點的圖像，就「時間」的角度而言，「宇宙」自「大爆炸」形成之後，在過去的不同時間點，又像什麼樣子呢？或者說，「宇宙」在四維時空（三維空間和一維時間）裡，看起來又是如何呢？針對這個問題，最近日本和英國的研究團隊，發佈了一幅最新的「宇宙」在不同時間的三維立體圖（下圖；Credit: NAOJ, SDSS, CFHT），該圖的左下方插圖，標示著該圖的觀測範圍，共涵括了總數超過 1,000 個的銀河，而這些銀河系的年齡，均介於 80-100 億年之間。

細心的讀者或許馬上就發現，該立體圖橫軸的距離（即離地球觀測者的距離），為 120 至 145 億光年，這到底是什麼回事？怎麼有可能呢？因為，這些星系的年齡只有 80-100 億年，若以光速行進的話，最多也只能有 80-100 億光年的距離而已，怎麼會有 120-145 億光年的距離呢？你問的好，但是不要忘了，「宇宙」是在膨脹的，而且膨脹的速度是愈來愈快（請參閱前文DDS027-「宇宙膨脹論」的說明），也就是說，離我們愈遠的星系，離我們而去的速度愈快，為了把這個因素納入，該圖的橫軸即以「共同移動距離（co-moving distance）」來表示，而非一般慣用的「光年（light year）」距離。

此外，你也發現，圖上方有一系列的橫截面，上面標示著不同數值的 "z"。這個 "z" 值，來自「宇宙紅移（cosmological redshift）」現象，其之所以造成，即是因為「宇宙」自「大爆炸」後，持續在膨脹，使得光在行進時的「波長（wavelength）」被拉長了，因而向光譜紅色一端移動。天文學家們，即利用光熾射出來時的「波長」，和我們觀測到的「波長」，兩者間的差異，取其比例得到 "z" 值，此 "z" 值的大小，就代表我們觀測到的光線，已歷經了多少「紅移」，數值愈高，表示「紅移」愈多，也就是離我們地球的距離愈遠。例如，圖中 "z = 1.52"，代表的是「它目前離地球的距離，是當時它熾射出光來時距離的 1.52 倍」（餘類推）。

最後，在該圖的右下方，有一「星體形成速率（star formation rate）」的小插圖，圖中不同的顏色，代表著不同的「形成速率」，其單位則以每年生成多少個等同太陽的質量來標記（solar mass/yr）〔註：1 solar mass = 1.9891 × 10³⁰ kg；即太陽的質量〕。這是因為，我們「宇宙」從「大爆炸（Big Bang）」開始，在形成過程中，就一直不斷地，有新的星體形成，這小插圖的色彩，就直接告訴你當時的「宇宙」，有多少星體（以一個太陽質量為單位）形成。這種新的星體的形成，即使在今天，也還是在持續進行著。事實上，「宇宙」中的各種星體，永遠是生生滅滅的，例如，就以我們所在的銀河系而言，自其形成迄今，至少有過約 2 億個星體爆炸、重生，這包括發生在西元 1604 年被「刻卜勒（Johannes Kepler；1571 - 1630；德國人；17 世紀最偉大的天文學家之一）」所親眼目睹、觀測到的「超級新星（supernova）」。