在茫茫宇宙中，我們的星球究竟處於什麼位置？2014年9月，第一幅三維宇宙全景圖橫空出世，法國科學家海倫·庫爾圖瓦宣布發現了迄今已知、人類所處的最大的宇宙結構——「拉尼亞凱亞超星系團」，這便是我們銀河系的家園。
海倫將其研究過程寫成了一本書《宇宙地圖》。書中豐富的宇宙學知識和大量寶貴的觀測數據，無疑是宇宙愛好者不可錯失的收藏。以下為原文摘錄：
我們的星系和它的鄰居們在宇宙中以每秒幾百千米的速度移動著！這個觀測結果從20 世紀60 年代初便被發現了，但當時的天文學家還不能為這個現象提供一個完美的解釋。90 年代，美國的一個團隊認為這種移動是由一種巨大的質量引起的，即「巨引源」。不幸的是，由於巨引源所處的位置，我們很難對其進行觀測。
然而裡昂的天文學家做到了！通過對巨引源的研究，我的團隊發現了我們所在的這個超星系團，並將其命名為拉尼亞凱亞超星系團。
我們的宇宙新地址
從2014年9月4日起，我們正式有了新的宇宙地址！這天是我們宣布發現拉尼亞凱亞的文章發表在《自然》期刊上的日子。迄今為止，拉尼亞凱亞超星系團是我們已知的、人類所處的最大的宇宙結構。拉尼亞凱亞這個詞起源於夏威夷語「無盡的天空」之意。實際上，這個尺度大到我們難以理解：它的直徑大約為5億光年，也就是光需要花5 億年才能從它的一端傳播到另一端。它包含約10萬個與我們的星系規模相似的星系，以及100萬個更小的星系。這相當於包含了約1億億個太陽！這就是我將向你們講述的拉尼亞凱亞超星系團的發現過程，我們為之付出了諸多努力。
圖注: 左上為「太陽系」、右上為「星系」、左下為「宇宙結點」、右下為「超星系團（拉尼亞凱亞）」
什麼是宇宙全景圖
宇宙學是天文學中的一大分支，主要研究大爆炸之後的宇宙結構和宇宙發展過程。為了實現這個目標，宇宙學家首先需要確定目前宇宙中存在的天體結構，並由此推斷它們是如何相互影響的。這個過程能夠幫助我們追溯並繪製宇宙編年史：從物質分布得更加均勻的宇宙初期，一直到現在這些複雜結構的形成。
宇宙學家在某種意義上相當於宇宙的「歷史地理學家」，他們可以從事的工作涵蓋了從純理論到實驗科學的不同領域。在這些領域之中，我所研究的是「宇宙結構學」，也就是為我們的宇宙繪製地圖。更具體地講，我的工作是確定我們周圍星系的位置及其運動情況。這個領域的研究範圍，用天文學術語來說是近域宇宙。
有趣的是，這裡說的「近域」可是距離地球數億光年的地方了！不僅如此，我們觀察本星系群時看到的可見光竟然在恐龍存在的時候就離開這些星系了！我們用「近域」這個詞來形容我們所在的區域，是因為即便是我們繪製的最大的宇宙圖也僅僅包括了可觀測宇宙的一百萬分之一。
當我去學校向學生們解釋我的工作時，他們從來沒問過「為什麼」我們要繪製宇宙全景圖，而是問「如何」才能完成這項工作。我認為這才是真正重要的地方。因為「為什麼」的答案顯而易見：我們需要一張地圖來知道我們到底在哪！知道我們的位置，難道不是確定我們即將前往哪裡的必要條件嗎？並且這可以讓我們知道我們從哪兒來，或者說我們是誰？
而關於「如何」完成這項工作，答案就複雜得多了，並且這會引出其他很多問題。當代天文物理學家是如何工作的？他們還是像400 年前的伽利略一樣盯著望遠鏡嗎？他們需要爬完世界上所有的山來收集新的數據，通過分析和模型擬合來進一步拓展我們的認知嗎？更確切地說，我作為大學教授的工作包括什麼呢？我需要白天授課然後夜晚觀測嗎？
我的日常工作中，藉助電腦程式收集和分析數據是一個很重要的環節。而要回答「如何」這個問題，就需要解釋我的研究方法：天空區域的選擇。圓弧形的天球面包括兩個維度：望遠鏡指向的方向和估測想要研究的星系的距離，這兩個維度可以幫助我們找到第三個維度。然後我們要藉助不同的方法來推導它的速度，從而建立環繞我們這個空間的全新移動宇宙圖—我們叫它「動態圖」。學生們經常向我抱怨：「僅憑這些我根本無法想像你平時是怎麼工作的！」
看到立體的天空：第三個維度
你一定見過業餘版的宇宙圖，但是當你試圖在夏日的夜晚向你的同伴形容某個有趣的天體在哪裡的時候，最大的困難就是讓他準確找到那個目標——那個小傢伙雖然明亮，卻迷失在上百個像它一樣的發光體中。然後這個原本有趣的話題很可能就變成了一大堆讓人頭疼的複雜解釋，這時你大概就該後悔沒成為一名受過專門訓練的天文學家了。
天文學家可以準確描述某顆星所處的天空，這讓問題變得簡單多了。在我們了解將天球分區成一個個星座的重要性之前，其他人一定也遇到過類似的麻煩。天球就是有著無限半徑的、以地球為中心的球體，宇宙中所有天體都像是被掛在上面一樣。星座是在天球中彼此接近的天體，我們將它們隨意地連接起來，繪製出引人遐想的形狀。
此外，雖然國際天文學聯合會已經由官方認定，將天球面分成了88 個星座，以此來保證每個天體只屬於一個星座，星座的定義在不同的文明裡仍是不一樣的。所以為了更加精確，天文學家用畫十字的方法給天球分區：一系列虛圓環經過南極和北極，另外一系列虛圓環和赤道平行，就像是地球上的經緯線一樣。然後他們用每個天體在這個格子裡的坐標進行定位。所以在赤道坐標系中，一個天體的方向由兩個角度決定：它的赤緯對應一個點在地球上的緯度，赤經對應這個點在地球上的經度。
無論是非常精確地使用坐標還是使用星座，定位研究中都存在一個重要的問題：兩個在天球面上極其接近的天體，比如兩個屬於同一星座的天體，真的離得很近嗎？
首先，答案是否定的！我們幾乎無法跨越的障礙，是將投影在天球面的二維坐標轉換成三維的實際位置。這個缺失的第三個維度是深度，也就是我們所觀察的天體的實際距離。在日常生活中，我們並不會在判斷物體的距離上遇到困難，因為深度的信息已經被我們的大腦自動處理了。這個任務對我們來說很簡單的原因有兩個：首先，我們已經知道了物體的實際尺寸，因此通過看到的大小就可以估計它的距離；其次，物體距我們的距離和我們雙眼之間的距離是屬於同一個數量級的，大腦可以通過雙眼同時獲取兩個分離的點的位置，在固定的背景上估計這個物體的距離，這個方法叫作三角測量原理。
圖註：獵戶星座在天球面上的投影和三維圖像
但是，測量「掛」在天球上的發光體的距離是一件和前述的方法完全不同的事情！對於我們而言，天體的實際大小通常是未知的：宇宙中存在著大小各異的行星、恆星和星系，我們很難給每個物體定義一個標準單位。不僅如此，這些大小各異的目標離我們太遙遠了，遠到看起來都只是一個點。即使在地球的兩端放兩個望遠鏡來模擬我們的雙眼，也無法用三角測量原理測量距離。因為相較於宇宙中的距離，地球實在是太小了。
所以宇宙圖是一項極具開創意義的發明，它不僅解決了這個難題，還讓我們可以測量第三個維度—深度。根據圖中比例尺的不同，所使用的測量方法以及得到的距離的精確度也是不一樣的。整體來講，距離越遠，精確度越低。而這些正是我們這些天文學家所必須面對的挑戰。
實際上，得到離我們很近的天體的第三個維度並不複雜。所以太陽、月亮的大小以及它們與我們的距離早在古希臘時代就已經被估算過了。公元前3世紀，阿里斯塔克斯用非常簡單的幾何關係估測出地球和月亮的距離等於40倍地球半徑（精確的數值是60 倍），而太陽與我們的距離是月亮與我們的距離的20多倍（精確的數值是400 倍）。這些誤差是由於古代測量角度的方法精確度很低造成的，但是他所使用的分析方法是完全正確的。
當代天文學已知的地月距離是精確度最高的，因為20世紀70 年代時執行「阿波羅」任務的太空人在月球上放置了很多小鏡子。如果你經過格拉斯（Grasse）附近，可以在卡倫（Calern）高原觀察到一道指向天空的綠色雷射，它是從藍色海岸天文臺的一個望遠鏡上發射出來的。但是天文學家為什麼要向月球發射雷射呢？他們難道想剷除某些邪惡的外星生物嗎？當然不是，月球上除了荒野般遍布直徑小於1米的巖石、沙子、細小的灰塵和其他衍生物以外，什麼都沒有。
雷射發射器以固定的時間間隔從天文臺向月球發射極細的光束，這束光將被月球上的鏡子反射然後重新回到天文臺。從發射到再次接收到這束光的時間大約為2.5秒。通過測量光往返地球和月球之間所用的時間，我們可以以高達釐米級的精確度計算出我們的星球和它唯一的天然衛星之間的距離。
亮度：測量距離的關鍵
確定造父變星的周光關係（變化周期和亮度的關係）是什麼意思呢？造父變星是生命即將終結的巨大恆星。因為核「燃料」燃燒殆盡，造父變星的亮度會隨著時間產生微弱而規律的變化，這個變化周期的長短各有不同，短則幾日，長達數月。我們將它們稱為「造父」，是因為這種天體的原型是仙王座的造父一，當然我們也可以給它們取別的名字。一開始它們被稱為「變星」，北極星就是這樣一顆變星。
周光關係還可以被描述為：天體的亮度隨著其變化周期增長而提升。如果一個造父變星的亮度相對較高，那麼它亮度變化的頻率就相對較低。這個觀點是由亨麗埃塔·萊維特提出的，是我們在估測天空深度的探索過程中至關重要的轉折點。1907年起，萊維特巡視了無數小麥哲倫雲的照片。大麥哲倫雲和小麥哲倫雲是我們銀河系的小型伴星系，在16世紀初被正在環球旅行的航海家麥哲倫命名，我們可以在南半球用肉眼看到它們。然而100年過去了，我們竟然還不知道麥哲倫雲位於銀河系之外！
亨麗埃塔·萊維特確定了小麥哲倫雲的造父變星的周光關係。而沙普利則通過測量一個已知距離的造父變星的周期確定了這顆恆星的絕對亮度，為天文學做出了卓越的貢獻。他還通過萊維特的工作推導出了周期和絕對亮度之間的關係。
我們現在仍然在使用這個方法，但僅限於距離較近的星系。實際上，變星非常罕見而且亮度相對較低。我們需要在星系中確定造父變星的位置，通過周光關係測量它的周期來確定其絕對亮度（即以瓦為單位的光強），然後通過比較變星的絕對亮度和視亮度（我們在地球上接收到的光通量，以瓦每平方米為單位）來計算星系的距離。
20世紀20 年代時，埃德溫·哈勃利用威爾遜山天文臺上一臺當時世界上最大的望遠鏡，通過這個方法第一次確定了河外星雲的距離。這個發現印證了200年前康德的猜想：宇宙中存在其他的「宇宙島」。我們的宇宙大冒險終於可以開始了！數年後，哈勃還取得了一些其他重要成果，其中最為著名的是，他發現了一個非常簡單的通過遠距離星系的運動估測其距離的方法，詳細內容我將在之後的部分為大家解釋。
通往未知的第一步
1992 年，22歲的我在研究生即將結束時以實習生的身份加入了裡昂天文臺喬治·帕蒂雷爾的團隊。從1970 年起，裡昂的天文學家就致力於收集數據，想要確定近域宇宙中星系的距離。喬治與來自巴黎默東的兩姐妹呂西安娜·古蓋內姆和呂塞特·博蒂內利合作，主要在索洛涅的南賽觀測基地進行射電天文學的觀測活動。1983年，喬治決定成立自己的公司，用於收集所有已知的數據。這些數據不僅是他自己觀測到的，也包括其他來自別的觀測者的公開數據。世界上第一個河外星係數據庫—裡昂-默東河外星係數據庫（LyonExtragalactic DAtabase, LEDA）就這樣誕生了。
現在，這家被命名為HyperLEDA的公司和美國國家航空航天局（NASA）河外星係數據庫（NASA IPACExtragalacticDatabase, NED）都是具有世界級影響力的資源庫。
這些新的河外世界的發現立刻吸引了我的注意力，我開始如痴如醉地閱讀與近域宇宙大結構相關的科學文獻。這些文章帶領我穿越到了銀河系之外的世界，我想像著這個被天文學家命名為本星系群的宇宙一隅——我們的星系和它的兩個鄰居：仙女星系和三角星系，以及作為它們衛星的矮星系在共同運轉著，像是一位佇立在緩慢移動的庭院中優雅的皇后。不僅如此，我還看到仙女星系在向我們不斷靠近，這很危險！
矮伴星系就像行星環繞恆星一樣，圍繞著銀河系旋轉。現在我已經遠離本星系群，位於近域巨洞的邊緣了。我想像自己正在以接近光速的速度翱翔，可即便以這樣的速度穿梭著，我們的旅程依舊十分漫長……在「走」過了5000萬光年之後，我被眼前的壯觀景象驚呆了：上千個巨大的星系使得這片天空像是高峰時擁堵的道路一樣。
現在我身處室女星系團中，這裡比我們的本星系群和它的鄰居們看起來壯觀得多。繼續向後退，我觀察到了幾個孤立星系和場星系，通過這些道路連接星系團。就像我可以在夜晚觀看高速路上的車燈，連接起一座都市的鄰近區域一樣。天爐、大熊和其他星系團共同組成了著名的「本超星系團」，這個超星系團看上去像是要將它的宇宙纖維延伸到長蛇-半人馬超星系團那裡一樣。更遠一點的英仙-雙魚超星系團、後發超星系團和孔雀-印第安超星系團以長達數億光年的半徑環繞著我們，大致勾勒出我們近域宇宙的邊界……現在我已經頭暈目眩了。
圖註：近域宇宙放大圖
我覺得最初繪製宇宙全景圖的天文學家也像我一樣幻想過這樣的星際旅程，比如移居到美國的著名法國天文學家熱拉爾·德·沃庫勒爾。他於1953 年發表了證明本超星系存在的論文。在我們發現拉尼亞凱亞超星系團之前，本超星系被重命名為本超星系團。不僅如此，在我們研究星系分布的時候，這個舊的超星系坐標系仍在使用。
這些建立在本超星系團的坐標軸的形狀接近於平面。20 世紀60 年代時，唐納德·沙恩和卡爾·維爾塔寧首次總結並發表了他們統計的二維星係數據：那些遙遠的星系似乎聚集成很大的結構，被我們以較原始的方式用它們所在的天球星座的名字命名—長蛇座、半人馬座，等等。在第一次觀測中，研究者並未辨識單個星系，只是計算了它們在各個天球坐標網絡中的數量，並沒有被單獨區分。
1986 年，巴黎天文臺的瓦萊麗·德·拉帕朗、美國天文學家瑪格麗特·蓋勒以及約翰·修茲勞繪製出了第一幅涵蓋了天球一小部分的三維宇宙圖，外觀呈扇面狀。與此同時，他們還發現了第一個由星系組成的大型結構，並將其命名為「長城」（巨壁）。這個結構足足長5億光年、高2億光年、寬1500 萬光年之大！更令人吃驚的是，他們證明了近域宇宙由一個個泡狀的結構組成：空穴區被星系形成的牆像長城那樣環繞著。
編織我自己的繭
我的第一項工作是將LEDA資料庫中極其分散的數據統一。實際上，這個資料庫中的數據是由不同團隊用不同的儀器、不同的方法觀測並分析出來的。比如，天文學家經常使用哈勃常數來估測星系的距離，但是這個常數並不是確定的。因此不同團隊所採用的不同數值會造成估算結果的差異。
更簡單的方法當然是我們自己來完成這些觀測，這樣的話，所有測量細節都是已知的了。但是時間有限，當代科研團隊可以測量的星系時間只有十幾年，當然部分可能長達幾百年，但是不會再多了，而這僅僅是瀚海一粟！不過當科學家舉行會議的時候，他們可以更高效深入地了解其他團隊使用的研究方法，並將其和自己的相比較，從而統一研究結果。
不幸的是，這種團隊之間的信息交換有時是不現實的。在這種情況下，我們必須等待觀測數據被充分分析，並且相關成果被發表在專業期刊中後，再收集數據。有時我們還需要等待這些數據被公開，就像被某個實驗室單獨開發的藥物的化學方程式一樣。天文學中不存在一個規定的標準期限，所以我們的等待時長往往取決於所使用望遠鏡的相關條例。
在將全部可用的測量數據統一化之後，我們還需要重新分辨並剔除那些精確度不是很高的數據。這些工作一旦完成，就可以繪製我的第一份宇宙圖了。為了更好地了解這些結構，我創造了一套自己的算法，它可以從不同的角度展示這張圖——這就是我為了將數據可視化所做出的第一次嘗試。
20世紀90年代初期，圖像的交換並不像現在這麼簡單。我還記得為了讓其他學者看到這個河外星系圖，我們把計算機屏幕拍下來，然後將相片列印在透明的塑料頁上，以便於在會議中進行投影。雖然圖片的質量非常一般，這些投影片仍幫助我們和其他學者順利交換了信息，我們也通過它們確定了星系的主要結構。更重要的是，喬治對我第一份科研成果的認可給予了我無限的信心和動力，這些鼓勵至今還在支持我不斷前進。
我曾經繪製的第一份星系分布圖中描述的結構和我們所預測的並不一致。接近我們的室女超星系團位於一個巨大泡狀結構的中央：巨壁、英仙-雙魚超星系團和孔雀-印第安超星系團將我們環繞起來，形成了平滑的三維結構，像「繭」一樣將我們與宇宙的其他部分分隔開來。因此喬治和我一起將我的第一個成果命名為「繭」，以此向裡昂的傳統特產—絲綢致敬。
圖註：我得到的最初的宇宙圖，像一個「繭」的形狀
粉絲福利
★ 耗時長達20年的天體物理學壯舉的幕後紀錄。本書是尋找我們在宇宙中的新地址——如何發現銀河系的家園「拉尼亞凱亞」的故事。海倫教授的近域宇宙圖的完成有如地理大發現時代麥哲倫環繞地球一樣具有劃時代的意義，宣告觀測宇宙學的大航海時代已經拉開了序幕。
★ 一部極簡宇宙史。糅雜了宇宙科學知識與許多生動有趣的故事，本書為普通非專業讀者而寫，庫爾圖瓦用人人能懂的語言帶領我們重溫繪製宇宙地圖的過程。
★ 天文學家的學術人生。本書談到了作者在天文學研究中遇到的成功、困難與絕境，以及多位傑出女性天體物理學家的小傳。
★ 《自然》雜誌、法國天文學協會《航空航天》雜誌、《黑洞簡史》作者麻省理工學院教授瑪西亞•芭楚莎、中科院國家天文臺FAST工程總部首席科學家李菂等多位媒體及科學家聯袂推薦。
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