宇宙中处处是恒星。可这些恒星都是如何分布的？它们是像围着篝火取暖的人一样聚在一起，还是像面包上的葡萄干一样均匀地散在各处？简单说的话，两者都对！详细回答则复杂得惊人。

首先你应该知道，我们这个叫银河系的星系中有约1 000亿颗恒星，太阳只是其中一颗。我们在夜空中看到的星光大多来自那些恒星。

看来宇宙中多数恒星都属于某个星系，或者说我们只知道这些恒星，因为银河系外独立恒星的光芒实在暗淡，我们用望远镜难以看到。那么，接下来的问题是：星系是如何分布的？结果我们发现，星系似乎会成百上千地聚成一团，它们被称为星系团。有许多星系团的质量约是太阳的1014倍，直径可达几百万光年。

银河系所在星系团叫“本星系群”。与我们同在这个星系团中的还有许多众所周知的星系，如仙女星系、飞马座矮星系和大麦哲伦星云。

空洞、细丝和超星系团

过去几年，为了解星系和星系团如何排列成了现在的样子，人们做出了一些尝试。图14展现了“2微米全天巡天”（2MASS）计划的成果。每一个点就是一个星系，而颜色显示了红移的情况，比如该星系离我们更近（更蓝）还是更远（更红）。你应该能看得出来，星系和星系团其实并非均匀分布的；相反，它们形成了一个个超星系团，即许多个星系团聚在一起。这些超星系团可能包含有成千上万个星系，绵延几百万光年。不同的超星系团之间由叫“细丝”（filaments）的纤细的纤维状结构连接，星系正是以此为基础排列成形的，仿佛穿成线的珠子。宇宙中还有巨大的、未被占据的区域，那叫作“空洞”（voids），也可跨越几百万光年的距离，只是其中（几乎）不包括任何星系。

这种网状结构似乎连绵不绝，至少它充斥着整个可观测的宇宙，即直径约为900亿光年的空间。我们无法看到比这更远的地方，因为自大爆炸以来，更远地方的光尚未来得及到达地球。在如此大的尺度中，细丝、超星系团和空洞的分布如此均匀，使得各处星系的平均密度大致相同。因此，在非常大的尺度上，宇宙中的物质实际上分布得非常均匀。

宇宙的波纹：正是它赋予了宇宙结构

诸多星系形成了超星系团、细丝和空洞，可它们是靠什么分布成这样的呢？答案很简单：靠引力！事实上，我们相当了解大爆炸之后它的大尺度结构形成的过程。让我们回到那个叫“复合”的过程吧，也就是宇宙约30多万岁时。当时，物质和辐射开始彼此分离，宇宙对光来说开始变得透明。当时的光现在我们依然可以看到，那就是宇宙微波背景（CMB），而且它相当均匀。因此，所有原子（大部分是氢原子）在复合前的辐射的作用下处于热力学平衡状态，它们一定始终非常均匀地分布在整个宇宙中。但据我们所知，如今的CMB中有些微的温度波动，因此当时物质间也一定有同样些微的密度波动。

因为万有引力，每一块物质都会吸引其他物质。如果引力完全均匀地分布在宇宙中，那么每一颗粒子上的力都将相互抵消。物质将永远保持完全均匀的状态。但若是物质密度产生了哪怕一小点波纹，这种不均匀都会随着时间流逝而增强。比一般区域密度更高的区域对其他物质的吸引力也更强，因此它会吸引越来越多的物质，其密度也会变得越来越高。久而久之，宇宙中的物质就聚成了一团一团的。这种事会发生在较小尺度中，恒星和太阳系便是这么形成的；它也会发生在较大的尺度中，相应地，它的过程就会长一些。

小结构组成大结构

可如果这是真的，宇宙中的物质为什么不干脆结成一大团呢？实际上情况确实如此，至少在较小尺度上是：宇宙中的恒星可以被视为非常圆的一团团物质。许多恒星归在一个个星系中，而这些星系根据它们旋转速度快慢或多或少形成了球体。若干星系组成了星系团，和斑点十分相似。但是如果我们在更大的尺度上看，我们可以开始看到细丝和空洞。为什么超星系团不会形成超超星系团，后者又继而形成超超超星系团，以此类推呢？答案应该可以从“呈等级式成团演化”（hierarchical structure formation）中找到。

要想理解呈等级式成团演化，你需要仔细研究一大团物质到底是如何在它自身引力下坍塌的。我们来看一个椭球体——它和球体类似，只不过有三个不同的直径，由左至右的称为x，由前到后的称为y，由顶至底的称为z。我们来看这样的情形：x 大于y，y大于z，因此这颗椭球体看起来有点像块厚烙饼。如果这块烙饼的各处密度一致，它因为自身的重量会怎么收缩呢？

你可能推测它会以常规的方式收缩，但实际情况并非如此。现实中，首先，最短的直径z坍塌，变得非常短，我们面前就有了一张相当扁平的烙饼。继而坍塌的是次短的直径y，它会一直收缩，直至烙饼变成一条有点厚度的直线，或者说像一条被拉直的蚯蚓。最后缩短的是最长的直径x，最后那条蚯蚓就缩成了一个圆圆的斑点。

这就是宇宙之所以成为如今模样的原因：复合刚刚完成，宇宙物质的密度波动最小，但随着时间流逝逐渐放大了。不过，波动并非以常规方式放大的，而是通过呈等级式成团演化实现的。如果是在非常大的距离尺度上，收缩花的时间就会长得多得多，因为万有引力必须到达更远的地方。所以，在较小的尺度中，宇宙的物质最终合并为斑点样，如恒星或星系。这些天体相对稳定，不会再进一步收缩。然而，在大尺度上，物质没有足够的时间汇成斑点，所以我们此时还处于中间阶段，只有长长的细丝（“蚯蚓”）或扁平的烙饼，它们被空洞包围着。在最大的尺度上，密度的不规则尚未影响整体的物质分布，因此，物质依然相当均匀地分布在作为整体的宇宙中。

大爆炸后的数值模拟

顺便告诉大家：我们不仅拥有展现宇宙大尺度结构如何形成的优质图像。如今，我们还有大量的数值模拟支持相关假想。就拿“波修瓦模拟”（Bolshoi-simulation）为例吧：以下三个例子模拟了在一个边长为10万光年的盒子中物质的分布，时间分别为大爆炸后5亿年、60亿年和138亿年。最后一张模拟图像看起来与今天宇宙的实际情况非常相似。

图15、16、17 “波修瓦模拟”，三幅图分别对应的是大爆炸后5亿年、60亿年和138亿年的物质分布情况。 图像提供：克里斯汀·瑞博，MultiDark项目