空洞和超星係團形成之謎

20世紀70年代以前，人們普遍認為，宇宙中物質的分布是均勻的。如果我們把星係團看成是一個個的“粒子”，宇宙中物質分布的圖像就是：這些“粒子”均勻地散布在整個宇宙空間。因此，以前認為宇宙的大尺度結構是極其簡單、單調、毫無特色的。， 然而，近年來天文研究的巨大進步完全改變了人們的上述看法。宇宙即使從大的方麵來看其結構也是極其複雜的，遠遠不是均勻公布所描繪的那樣一幅簡單圖像。事實上，早在星係團發現後，人們就提出問題：是否存在著比星係團更高一級的星係集團?50年代初，沃庫勒首先指出，距地球6000萬光年的室女星係團及其周圍的幾十個小的星係群或星係團一起組成一個巨大的星係集團，我們銀河係所屬的本星係群也包括在內，稱為本超星係團。由於觀測工作的困難，探索是否存在其他超星係團的研究工作長期以來沒有得到肯定的結果。直到1978年，格雷戈裏、湯普森和蒂夫特才確定，後發星係團和A—1367星係團及其他一些星係也組成一個超星係團。近年來，觀測資料的迅速積累又至少發現了十幾個超星係團。至此，作為宇宙大尺度結構的基石的超星係團的存在才得到了確認。現已查明，雖然星係團的外形近於球形，但超星係團的形狀卻是線狀或網狀的。星係團像一些珠子，被一些孤立的星係串在一起，形成超星係團，最大的超星係團的長度超過10億光年。

一與超星係團的研究平行的，或者說超星係團研究的副產品是發現了巨大的空洞。空洞是宇宙中巨大的空間區域，其中幾乎沒有星係，可以說是空空如也。1978年，在格雷戈裏、湯普森和蒂夫特發現後發——A1 367超星係團時，也同時發現了一個近於球形的空洞，位於該超星係團之前。然而，當時認為，這個空洞的存在隻是宇宙中的一個反常現象。此後不久，1982年柯什納和他的幾位合作者宣布，在牧夫座方向發現了一個直徑達2．5億光年的巨大空洞。然而，沃徹和威德曼指出，在這個空洞所在區域，卻有十餘個馬卡良天體，因而空洞並不空，對空洞的存在提出了疑問。近年來柯什納等人的進一步研究也發現，在牧夫座空洞裏還有一些很暗的矮星係。可以肯定，空洞並不是完全空的。然而，無論如何，在空洞裏沒有通常看到的大量正常漩渦星係和橢圓星係。最近的深入研究發現了許多直徑在0．6到1．5億光年的巨大空洞。現在普遍認為，空洞是的確存在的，它們構成了宇宙大尺度結構的基本格局。

．空洞和超星係團的存在為我們描繪了這樣一幅宇宙大尺度結構的圖像：宇宙好像是由一個個巨大的氣泡(空洞)組成的。氣泡內幾乎沒有什麽物質，星係、星係團和超星係團位於氣泡的“壁”上，把氣泡隔離開來，簡言之，宇宙具有蜂窩狀或海綿狀的結構。

宇宙的這種大尺度結構是怎樣產生的呢?現代的理論認為，應該回到宇宙的早期去尋找原因。在宇宙誕生後不長的一段時間內，雖然宇宙是相當均勻的，但是，各種尺度的起伏仍然不可避免。有的起伏被抑製了，有的起伏卻得到發展並最終演化為今天觀測到的大尺度結構。目前主要有兩種理論模型。一種模型是由皮布爾斯60年代末、70年代初提出的，稱為“底朝上”模型。按照這種模型，宇宙早期的密度起伏發展下去首先形成星團和星係，然後，在引力作用下，星係聚集成星係團和超星係團。但是，這種模型碰到了嚴重困難。星係要靠引力吸引而聚集成尺度達幾億光年的超星係團，需要的時間太長，幾乎是不可能的。

另一種模型是澤爾多維奇和哈裏森等獨立提出的，稱為“頭朝上”模型或“薄餅”模型。這種模型預言，早期宇宙中隻有超星係團級的起伏才能保存並發展。因此，首先形成超星係團，以後再碎裂形成星係。早期的“頭朝上”模型不能解釋微波背景輻射的幾乎完全的各向同性這一觀測事實。後來發展起來的“頭朝上”模型必須借助於中微子靜止質量不為零。然而，中微子靜止質量問題是一個舉{世矚目的未解決的問題。 ，’ 近年來理論物理的迅速發展提出了一個介於上述兩種模型之間的新模型，稱為混合的底朝上模型。這種模型認為，星係和超星係團都是早期宇宙的起伏發展的結果。早期的小尺度起伏使星係首先形成，而超星係團則是稍晚一些出現的大尺度起伏演化的結果。這種模型裏引入了一些新粒子，如光微子、引力子、軸子等。當然，這些還隻是理論家預言的粒子，並未得到證實。

’三種模型都各有其優點，但都不能夠很好地解釋空洞超星係團結構，有人用巨型計算機對三種模型進行了模擬，並與現有的觀測資料進行了比較，結果卻令人失望。

宇宙大尺度的蜂窩狀或海綿狀結構究竟是怎樣形成和發展的，至今是個謎，有待於今後的深入研究。