为什么说物质在宇宙空间中不是均匀分布的

我们所在的地球是太阳系中的一个行星，太阳是银河系中的一个普通恒星，而银河系也不过是宇宙中千亿个星系中的一员。那么，这些星系以及物质在更大尺度上又是如何分布的呢？一个比较自然的想法是，宇宙中的各个地方应该是平等的，到处都分布着星系，没有哪个点是特殊的，在足够大的尺度上，物质可以说是均匀分布的。因为哥白尼日心说把地球降到一个普通行星的地位，打破了把地球放在宇宙中心的传统，所以这一“宇宙中处处平等”的思想被称为“哥白尼原理”或“宇宙学原理”。

但是观测发现，宇宙并不是完全均匀的：有的地方有星系，有的地方没有星系，还有的地方星系特别多，成为星系团。这看起来和“宇宙学原理”相违背，其实并没有。因为星系密集或稀疏的地方并没有什么特殊之处，只是偶然形成的，这称为“随机分布”，可以通过统计的方法加以研究。物质和星系在远大于单个星系的尺度上的非均匀分布，通常称为大尺度结构。

那么，宇宙中的大尺度结构究竟又是什么样子呢？这需要通过实际的天文观测找出答案。这种观测称为巡天观测，也就是系统地观测一大片天空，记录下其中所有星系的位置、亮度和性质，再根据这些数据分析出星系的分布规律。

现代的光学巡天可以分为两种，第一种是通过照相获得天体的像、亮度和在天球上的二维坐标（赤经和赤纬）。例如，在1949-1958年间用帕洛玛山天文台1.2米口径施密特望远镜进行的帕洛玛巡天（POSS），拍摄了赤纬-30°以北的天空。这一巡天观测的最暗天体星等为22等。但从这种观测中，还不能确定天体到我们的径向距离。

斯隆数字巡天获得的宇宙大尺度结构图示

第二种巡天是在照相巡天的基础上，挑出一些目标拍摄其光谱。这种巡天可以根据星系光谱中一些谱线波长相对于标准波长的变化，确定其红移。距离越远，星系的红移越大，因此可以由红移确定我们和该星系之间的距离，从而给出星系的三维坐标，更好地反映星系的空间分布。不过，光谱观测所需的时间比较长，因此要完成光谱巡天比照相巡天难。20世纪80年代初期，由哈佛大学天体物理中心（CfA）完成的CfA红移巡天第一次揭示了宇宙的大尺度结构。此后，人们又开展了一系列大尺度结构巡天。迄今为止，最大规模的巡天是美国的斯隆数字巡天（SDSS），该巡天既包括测光巡天，也包括光谱巡天。

CfA巡天观测的第一片天区，有点像一个扇面或切开的一片西瓜。在图上，每个星系用一个点表示，其到扇形端点的距离（径向坐标）与星系的退行速度（等于红移乘光速）成正比，可以直观地显示出这一区域内的大尺度结构。图中可以清晰地看到，星系的分布并不均匀，有一些地方星系形成纤维状或板块形的结构，称为巨壁，绵延几千万光年。还有一些地方则几乎没有星系，形成巨洞。在该图中心部分，还有一个几乎沿径向的结构（有点像一个人形），被称为“上帝的手指”。这实际是一个星系团，团内的星系有相对星系团中心的随机运动，每个星系的速度又不相同，这一速度叠加到宇宙学红移上，就使得本来在空间上密集在一起的星系在红移方向（即沿我们的视线方向）上呈现较大的弥散，从而形成了“上帝的手指”。（陈学雷）

CfA巡天观测的第一片天区