超星系团与巨洞是宇宙中最大尺度的结构——它们构成了宇宙的“宇宙网”。超星系团是星系团的聚集，尺度可达数亿光年，包含数万个星系；巨洞则是星系稀少的巨大空洞，直径可达数亿光年，内部几乎空无一物。这些结构的发现彻底改变了我们对宇宙的看法：宇宙并非均匀的，而是由星系、星系团、超星系团组成的“纤维状结构”，被巨大的空洞分隔。理解超星系团与巨洞，就是理解宇宙大尺度结构的形成——这些结构是早期宇宙密度涨落的遗迹，是暗物质引力坍缩的结果，也是宇宙学模型的检验场。
20世纪初，天文学家普遍接受“宇宙学原理”——宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。这个假设是爱因斯坦广义相对论宇宙学模型的基础。
当时，已知的星系分布似乎支持这个假设：除本星系群外，星系大致均匀分布。
1932年，哈洛·沙普利和阿德莱德·艾姆斯发表了第一个大规模的星系巡天。他们发现星系并非随机分布，而是倾向于聚集在特定区域——室女座方向有一个显著的星系聚集区。这暗示宇宙在大尺度上可能不是均匀的。
1950年代，法国天文学家热拉尔·德沃古勒系统研究了星系的分布，发现室女座方向的星系聚集区实际上是一个巨大的结构的一部分——他称之为“本超星系团”（Local Supercluster）。这个超星系团的中心是室女座星系团，直径约1亿光年，包含数千个星系。
“我们的星系并非孤立存在。银河系属于一个巨大的超星系团——本超星系团。这个结构的中心在室女座方向，直径超过1亿光年。”
1970-80年代，随着更大规模的星系巡天（如CfA红移巡天），天文学家发现了宇宙中巨大的空洞——巨洞（voids）。
1978年，斯蒂芬·格雷戈里和莱尔德·汤普森在分析CfA巡天数据时，发现牧夫座方向有一个巨大的空洞，直径约1.5亿光年，内部星系极少。这是人类首次发现巨洞。
1980年代，随着更多巡天数据，天文学家认识到：宇宙的星系分布就像“肥皂泡”——星系聚集在泡壁上，泡内部是巨大的空洞。这个结构被称为“宇宙网”（Cosmic Web）。
1980-90年代，大规模红移巡天（CfA2、SSRS、2dF、SDSS）揭示了宇宙大尺度结构的全貌：
这个“宇宙网”结构是冷暗物质模型的重要预言，与观测高度吻合。
“我们生活在一个由星系、星系团和空洞组成的宇宙网中。这个结构是早期宇宙密度涨落的遗迹，是暗物质引力坍缩的结果。”——玛格丽特·格勒
超星系团是星系团的聚集，是宇宙中最大的引力束缚结构（部分超星系团可能尚未达到维里平衡）。
| 参数 | 典型值 | |
|---|---|---|
| 尺度 | 1-3亿光年 | |
| 质量 | 10¹⁵-10¹⁷ M☉ | |
| 成员 | 数千到数万个星系 | |
| 形态 | 纤维状、片状 | |
| 内部结构 | 多个星系团、星系群 | |
| 类型 | 特征 | 代表 |
| ------ | ------ | ------ |
| 富超星系团 | 多个大质量星系团聚集 | 后发座超星系团 |
| 贫超星系团 | 少量星系团，较松散 | 本超星系团 |
| 纤维状 | 长条状结构 | 长城 |
| 片状 | 扁平状结构 | 斯隆长城 |
本超星系团的结构：
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本超星系团的成员：
| 结构 | 类型 | 特征 |
|---|---|---|
| 室女座星系团 | 星系团 | 中心，约1300个星系 |
| 本星系群 | 星系群 | 包含银河系、M31等 |
| 后发座星系团 | 星系团 | 外围，约1000个星系 |
| 天炉座星系团 | 星系团 | 外围 |
| 室女座II群 | 星系群 | 多个 |
本超星系团的形态：
- 中心：后发座星系团 - 直径：约3亿光年 - 质量：约5×10¹⁶ M☉ - 成员：数十个星系团
后发座超星系团的特征：
长城（Great Wall）是1989年由玛格丽特·格勒、约翰·赫克拉和约翰·哈特拉普发现的巨大纤维状结构。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长度 | 约5亿光年 |
| 宽度 | 约2亿光年 |
| 厚度 | 约1500万光年 |
| 红移 | 0.03-0.05 |
| 成员 | 数千个星系 |
长城是人类发现的第一个超大规模宇宙结构，它改变了天文学家对宇宙尺度的认识。
斯隆数字巡天（SDSS）发现了更大的结构——斯隆长城（Sloan Great Wall）。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长度 | 约13.7亿光年 |
| 红移 | 0.06-0.1 |
| 成员 | 数万个星系 |
斯隆长城是已知最大的结构之一，直到2013年发现更大的结构。
2013年，天文学家发现武仙-北冕座长城（Hercules-Corona Borealis Great Wall）——可能是已知宇宙中最大的结构。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长度 | 约100亿光年 |
| 红移 | 1.6-2.1 |
| 特征 | 伽马射线暴密集区 |
这个结构的尺度超过100亿光年，已接近可观测宇宙的尺度，对宇宙学模型提出了挑战。
“武仙-北冕座长城的尺度超过100亿光年，接近宇宙的尺度。它的存在对宇宙学原理提出了质疑——如果宇宙在大尺度上真的是均匀的，这样的结构应该极其罕见。”——伊什特万·霍瓦特
巨洞是宇宙中星系稀少的巨大区域，是宇宙网的“气泡”。
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 尺度 | 1-3亿光年 |
| 星系密度 | 平均的10-30% |
| 形状 | 近似球形，有时不规则 |
| 内部 | 可能有少量星系或暗物质晕 |
牧夫座巨洞（Boötes Void）是第一个被发现的巨洞：
| 参数 | 数值 | ||
|---|---|---|---|
| 直径 | 约2.5亿光年 | ||
| 红移 | 0.05 | ||
| 内部星系 | 约60个（本应数千个） | ||
| 名称 | 直径（亿光年） | 红移 | 特征 |
| ------ | ---------------- | ------ | ------ |
| 牧夫座巨洞 | 2.5 | 0.05 | 第一个发现 |
| 本地巨洞 | 1.5 | 0 | 本超星系团附近 |
| 英仙-双鱼座巨洞 | 3 | 0.02 | 邻近 |
| 大犬座巨洞 | 2 | 0.03 | 南天 |
| 玉夫座巨洞 | 2 | 0.02 | 南天 |
巨洞并非完全空无一物：
巨洞是早期宇宙密度涨落的产物：
1. 早期宇宙有微小密度涨落（来自暴涨）
2. 高密度区域引力坍缩，形成星系、星系团
3. 低密度区域膨胀，物质向外流动
4. 形成巨大的空洞（巨洞）
宇宙网由四个主要成分组成：
| 成分 | 特征 | 尺度 |
|---|---|---|
| 节点 | 超星系团 | 1-3亿光年 |
| 纤维 | 星系链 | 数亿光年 |
| 片层 | 星系聚集面 | 数亿光年 |
| 空洞 | 星系稀少区 | 1-3亿光年 |
宇宙网的观测需要大规模红移巡天：
| 巡天 | 覆盖 | 贡献 |
|---|---|---|
| CfA | 局部 | 发现长城和巨洞 |
| 2dF | 南天 | 确认宇宙网 |
| SDSS | 北天 | 详细揭示宇宙网 |
| DESI | 全天空 | 未来将揭示更远宇宙网 |
数值模拟（如Illustris、EAGLE、TNG）成功再现了宇宙网的形成：
“当我们运行宇宙学模拟时，看到暗物质和星系形成了美丽的纤维状网络，与观测惊人地吻合。宇宙网是冷暗物质模型最成功的预言之一。”——卡洛斯·弗伦克
宇宙网的结构对宇宙学参数敏感：
| 参数 | 影响 |
|---|---|
| $\Omega_m$ | 物质密度越高，结构越强 |
| $\sigma_8$ | 涨落幅度越大，结构越强 |
| $w$ | 暗能量影响结构形成时间 |
通过测量宇宙网的统计性质（如两点相关函数、多极矩），可以约束宇宙学参数。
宇宙学原理假设：宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。
观测：
问题：是否存在超过10亿光年的结构？如果存在，宇宙在大尺度上是否真的均匀？
目前认为，在10亿光年尺度上，宇宙开始趋于均匀。但武仙-北冕座长城的尺度（100亿光年）如果被证实，可能挑战这一结论。
超星系团和巨洞的分布是结构形成理论的检验场：
重子声学振荡（BAO）是早期宇宙声波在物质分布中留下的痕迹，在超星系团尺度上表现为星系过密度的特征尺度（约5亿光年）。
通过测量BAO尺度，可以：
超星系团和巨洞的引力影响星系的本动速度：
通过测量本动速度，可以推断暗物质分布。
| 巡天 | 覆盖 | 红移范围 | 贡献 |
|---|---|---|---|
| CfA | 北天 | <0.05 | 发现长城和巨洞 |
| SSRS | 南天 | <0.05 | 南天结构 |
| 2dF | 南天 | <0.3 | 大尺度结构 |
| SDSS | 北天 | <0.5 | 详细宇宙网 |
| 6dF | 南天 | <0.1 | 本地宇宙 |
| DESI | 全天空 | <1.5 | 未来巡天 |
| 项目 | 贡献 | ||
| ------ | ------ | ||
| SDSS | 最大规模的宇宙网绘图 | ||
| LAMOST | 银河系和低红移星系光谱 | ||
| FAST | 中性氢巡天，探测宇宙网 | ||
| DESI | 未来将绘制数千万星系的红移 | ||
| Euclid | 未来将探测高红移宇宙网 | ||
| 中国空间站巡天 | 未来将进行弱透镜和红移巡天 |
LAMOST在本超星系团研究中做出贡献：
这个结构真的存在吗？如果存在，它的尺度（100亿光年）如何形成？是否挑战宇宙学原理？
巨洞是否完全空无一物？内部是否有暗物质晕？巨洞的形状和分布如何形成？
高红移宇宙网与本地宇宙有何不同？宇宙网如何随时间演化？结构形成速度是否与模型一致？
本超星系团是否处于维里平衡？还是正在坍缩？它的质量分布如何？
星系的本动速度与宇宙网的结构有何关系？能否通过速度场反推暗物质分布？