這張複合哈勃影象是一幅全景圖，由許多不同的濾鏡和指向同一天空區域的觀測結果構成。即使是一個相對較小的空間區域，如這個包含成千上萬個星系的區域，也能提供關於我們宇宙的寶貴資訊和見解。

如果說人類應該從20世紀學到一個教訓的話，那就是：宇宙很少像我們的直覺引導我們懷疑的那樣運作。在20世紀初，我們認為宇宙是由牛頓引力控制的。我們認為宇宙是靜止的，無限古老的，沒有起點，也沒有終點。我們甚至無法確定銀河系是否是眾多星系中的一個，或者它是否涵蓋了所有的星系。

當然，理論和觀察的發展改變了這一切。牛頓引力被廣義相對論所取代，這證明了靜態宇宙是不穩定的。螺旋(後來的橢圓)被確定為自己的“島嶼宇宙”，遠離銀河系，每一個都有數十億顆自己的恆星。而不是一個無限古老的宇宙，我們生活在一個138億年前在熱大爆炸中開始的宇宙。這幅畫本身是革命性的，但卻引出了一個全新的問題：宇宙是如何成長的？

宇宙膨脹的歷史可以追溯到138億年前，從熱大爆炸開始。一個充滿物質的宇宙，最初的不完美經歷了很長一段時間的引力增長，導致了我們今天所看到的錯綜複雜的宇宙網。在左上角，一張餅形圖詳細描述了今天宇宙的分數能量密度。

當我們在最大的宇宙尺度上觀察宇宙時，我們可以通過識別我們能夠探測到的每一個星系的屬性和位置來繪製它的地圖。由於我們對光如何在膨脹的宇宙中運動的理解，我們能夠準確地測量一個遙遠星系的紅移(也就是說，它的光在到達我們的眼睛之前被拉伸了多少)，以及獨立地測量它離我們有多遠。

通過將這兩種測量方法結合起來，我們可以學到兩件重要的事情：

平均來說，一個星系離我們越遠，它的紅移就越大。當你與宇宙的平均密度有很大的偏離時，區域性重力場會在膨脹的宇宙的紅移之上產生數百甚至數千公里/秒的額外速度。

在這裡，在數億光年的距離尺度上，描述了銀河系上超稠密和低密度區域的相對吸引和排斥效應。密度過大和低密度的區域都會拉動和推動物質，使其速度超過我們從紅移測量和哈勃流中所能得到的數百甚至數千公里的速度。

第二種效應被稱為奇特的速度，因為它描述恆星、星系或任何品質體驗的額外運動是由於圍繞它的所有品質的引力效應造成的。如果我們想精確地繪製宇宙圖，我們就有責任消除這兩種影響，以確保我們給這些星系分配正確的空間位置，而不是我們從它們測量到的紅移中推斷出的偏倚位置。

宇宙學家-像我這樣研究宇宙大尺度結構的人-早就知道這些奇怪的運動了。如果你根據每個星系的紅移繪製出它所在的位置，你會發現一些意想不到的東西：你所繪製的宇宙地圖將有星系細絲，這些細絲似乎都指向你的位置。幾十年前，宇宙學家稱這種效應為“上帝的手指”，因為無論你身在何處，它們都指向你。幸運的是，我們立即意識到，這不是一個真實的物理效應，而是一個錯誤地分析我們的資料的結果。

如果你只測量一個遙遠星系的紅移，並利用這些資訊推斷出它的位置和它與你的距離，你最終會看到一個扭曲的檢視，充滿了手指狀的實體，似乎指向你(左)。這就是所謂的紅移-空間扭曲，如果我們有一個單獨的距離指示器，我們就可以把它們減去，這樣我們的觀點就能與我們在“真實空間”(右)進行測量時所觀察到的情況相適應，而不是紅移空間。(M.U.Subbarao et AL.，New J.Pys.)10(2008年)125015；IOPSCIENCE)

要理解這是如何錯誤的，我們必須一路回到起點：熱大爆炸的早期階段。在這些早期階段，宇宙中的所有物質-包括正常物質和暗物質-幾乎均勻地分佈。但這“幾乎”是關鍵的，任何微小的不完美在早期會導致巨大的不完美，在以後的時間。原因很簡單，很簡單：重力是一種失控的力量。

如果你在年輕的宇宙中有一個輕微的密度過密，它將優先吸引越來越多的物質進入你的宇宙。在密度較低的空間附近，物質會被吸引到更高密度的區域，從而導致星系、星系群甚至巨大的星系團的生長和形成。這些大規模的宇宙結構，隨著它們的生長和成長，可以影響周圍所有其他品質物體的運動。

霧，或上帝的手指，是眾所周知的出現在紅移空間。由於星系團中的星系由於其周圍品質的引力影響，可以得到額外的紅移或藍移，我們從紅移中推斷出的星系位置將沿著我們的視線被扭曲，導致上帝的手指效應。當我們進行校正並從紅移空間(左)移到真實空間(右)時，FOG就消失了。

當我們成功地解釋了我們今天所觀察到的星系的運動時，我們就可以進行修正，並將我們在“紅移空間”中觀察到的轉換為“真實空間”中的實際存在。只有用這種不扭曲的觀點來觀察宇宙網，我們才能準確地了解宇宙是如何在最大的尺度上聚集在一起的。

宇宙在最大尺度上的觀察方式為我們提供了大量的資訊。因為我們知道引力是如何工作的，所以我們可以利用這些觀測來重建兩件事：

宇宙的組成：暗能量(68%)、暗物質(27%)、正常物質(4.9%)、中微子(0.1%)和輻射(0.01%)。宇宙的初始條件是什麼：它以何種方式和多少方式偏離了完美的統一。

在這裡，星系團SDSSJ 10004+4112包含了許多跨越數萬光年的巨大星系，所有這些星系聚集在一起。這個星系團內的單個星系可能以數千公里/秒的相對速度運動，但減去紅移空間的扭曲，我們就能準確地構造出這些星系在我們今天所謂的“真實空間”中的位置。

幾十年前，在我們擁有一系列太空望遠鏡和遠距離宇宙的深廣視野之前，我們所擁有的只是理論上的指導我們的可能性。即使在我們發現了膨脹的宇宙，遙遠星系的性質，宇宙微波背景對應的輻射，以及宇宙大爆炸的最終驗證之後，我們仍然不知道宇宙開始的時候是什麼樣子。

我們的宇宙網路是如何產生的，這兩種可能性被稱為自上而下或自下而上的情景。在一個自上而下的宇宙中，最大的不完美是在最大的尺度上；它們首先開始被引力，就像它們一樣，這些大的不完美碎片變成了較小的缺陷。當然，它們會產生恆星和星系，但它們大部分會被束縛在更大的星系團狀結構中，這是由大尺度上的引力缺陷驅動的。自下而上的宇宙正好相反，引力缺陷在小尺度上占主導地位.星團首先形成，然後是星系和星系團，因為小規模的缺陷經歷了失控的生長，並最終開始影響更大的尺度。

如果宇宙完全是建立在自上而下的結構形成場景之上的話，我們就會看到大量的物質碎片聚整合更小的結構，比如星系。如果它是純粹的自下而上，它將開始形成小的結構，其相互引力把他們帶到一起以後。相反，實際的宇宙似乎是兩者的結合，這意味著這兩者都不是很好的描述。

這兩種可能性之間的緊張-自上而下和自下而上-貫穿了整個20世紀60、70年代乃至80年代的宇宙學的各個方面，對一些人來說，90年代也是如此。隨著來自星系調查的資料開始進入，把宇宙描繪成越來越模糊、越來越遠、更全面的宇宙，天體物理學家們得到了一點驚喜。

每當我們找到一個星系，我們就會問這樣的問題：“我在離這個星系一定距離的地方找到另一個星系的機率有多大？”有了足夠多的星系，我們就能得到答案。我們也可以問一些問題，比如找到三個或更多的星系組合在一起，以及在任何尺度上找到相關的星系對、四倍星系等的機率。

當我們把所有這些資料放在一起時，我們可以問一個決定性的問題：哪個尺度包含最多的聚類？通過觀察一個叫做宇宙功率譜的圖表，我們可以確定是小尺度還是大尺度主導，還是兩者的混合。

在物理學中，當我們的科學是定量的時候，我們就做最好的工作。當我們能夠以高精度和低不確定度測量一個引數時，我們就可以得出關於宇宙本質的最有力和最具資訊性的結論。對於自上而下還是自下而上的問題，我們要檢視的實體稱為標量譜指數(納什)，這是一種尺度包含了最強大的力量，最初，在熱大爆炸之後。

如果n_s是一個比1低得多的數字，大部分初始功率將在最大的尺度上，而不是在較小的尺度上，我們將生活在一個由自上而下而不是自下而上的過程所主導的宇宙中。如果n_s是一個比1大得多的數字，大部分初始能量將發生在小尺度上，這意味著我們生活在一個由自下而上而不是自上而下的過程所主導的宇宙中。如果n_s=1，這產生了我們所說的標度不變譜，這意味著能量在所有尺度上都是均勻分佈的(至少最初是這樣)，只有引力動力學驅動結構的形成，才能得到我們今天看到的宇宙。

宇宙中大尺度結構的演化，從早期的均勻狀態到我們今天所知的聚集宇宙。如果我們改變我們的宇宙所擁有的東西，暗物質的型別和豐富程度將提供一個截然不同的宇宙。請注意，在所有情況下，小規模結構都會在早期出現，而較大規模的結構直到很晚才會出現。

當第一次主要星系調查開始產生有意義的結果時，我們開始觀察到宇宙與尺度不變性是無法區分的，這意味著宇宙不是自上而下的，它不是自下而上的，而是兩者的結合。小尺度和大尺度都有初始缺陷，中間尺度也有缺陷.然而，由於引力只以光速傳送訊號，小尺度在大尺度開始相互影響之前就開始經歷引力崩潰。

隨著結構的“種子”出現在所有的尺度上，我們完全預計小規模將在數千萬或數億年後首先發展，而最大的規模將需要數十億才能完全形成。今天，我們對宇宙功率譜和標量譜指數的最佳測量，n_s，告訴我們n_s=0.965，不確定度小於1%。宇宙非常接近標度不變，但它比自下而上稍微傾斜一些。

密度波動的初始譜可以很好地用對應於尺度不變(n_s=1)功率譜的平坦的水平線來模擬。輕微的紅色傾斜(小於1)意味著在大尺度上有更多的功率，這解釋了相對平坦的左側部分(在大角度尺度上)的觀測曲線。宇宙顯示了自上而下和自下而上兩種場景的組合.(NASA/WMAP科學小組)

一個世紀前，我們甚至不知道我們的宇宙是什麼樣子。我們不知道它是從哪裡來的，不管是什麼時候開始的，它有多古老，它是由什麼製造出來的，它是否正在膨脹，它的內部存在著什麼。今天，我們對所有這些問題都有科學的答案，只有1%的準確率，再加上更多的答案。

宇宙的誕生幾乎是完全統一的，幾乎所有的尺度上都有1/30，000的缺陷.最大的宇宙尺度比較小的尺度有更大的缺陷，但較小的尺度也是物質的，首先崩塌。我們很可能在大爆炸之後形成了第一顆恆星，距離大爆炸只有500-2億年；第一個星系在大爆炸後兩億到五億五千萬年後出現；最大的星系團花了數十億年的時間才到達那裡。

宇宙既不是自上而下的，也不是自下而上的，而是兩者的結合，這意味著它與生俱來具有幾乎不變性的光譜。有了未來的觀測望遠鏡，如LSST、WFIRST和下一代30米級地面望遠鏡，我們將前所未有地測量星系群。經過一生的不確定，我們終於可以給出一個科學的答案來理解我們的宇宙的大尺度結構是如何形成的。