כשהאסטרונומים מביטים בשמיים, הם מוצאים מבנים בכל קני המידה – החל בקנה המידה של מערכת השמש ועד קני מידה גדולים בהרבה מכל צביר גלקסיות בודד. המבנים הגדולים ביותר האלה נקראים המבנה של היקום בקנה מידה גדול (large-scale structure). בקנה המידה של גלקסיות ומעלה, המבנה הוא היררכי: גלקסיות הן חלק ממבנים, שהם חלק ממבנים גדולים עוד יותר, וכן הלאה. יש אפילו צבירים של צבירי גלקסיות, שנקראים צבירי-על (superclusters). אבל ההיררכיה הזו אינה נמשכת לנצח: יש קנה מידה שבו, בממוצע, פיזור החומר מתחיל להיות חלק (אף שהוא עשוי מ"חלקיקים", כלומר מגלקסיות). קנה המידה הזה הוא כ-100 מגה-פרסק, כ-330 מיליון שנות אור.
לכבידה יש טווח ארוך, והיא יכולה לגרום לגלקסיות להתקבץ בקנה מידה עצום. מטבע הדברים, האסטרונומים שיערו שאולי יש גם מבנים גדולים עוד יותר מצבירי גלקסיות. בשנות ה-40 סימן קלייד טומבו, מגלה פלוטו, את מיקומי הגלקסיות בשמיים, ושרטט את המפה הראשונה של מבנה גלקסיות שמשתרע על פני חלק גדול משמי הצפון. הוא הראה אותה לאדווין האבל, שסירב להאמין לתצפית – בלי ספק כי איש באותה תקופה לא ציפה לראות מבנים גדולים כל כך. חלק מהרתיעה נבע מהאמונה שאם מסתכלים על היקום בקנה מידה גדול, הכול זהה בכל מקום. זו ההנחה של איזוטרופיות והומוגניות. איזוטרופיות פירושה שהיקום נראה בערך אותו דבר בכל כיוון, והומוגניות פירושה שהיקום בערך אותו דבר בכל מקום. אלה שתי הנחות שונות לגמרי: קל להפנות טלסקופ לכיוון אחר, אבל אי אפשר לעבור למקום רחוק ביקום! מה שלא הבינו בימיהם של טומבו והאבל הוא עד כמה גדול צריך להיות קנה המידה שבו מסתכלים על היקום כדי לבדוק את ההנחה הזו.
בשנות ה-50 הציע האסטרונום הצרפתי ז'ראר דה ווקולר (Gérard de Vaucouleurs) ששביל החלב הוא חלק ממבנה שטוח ועצום, שנקרא צביר-העל המקומי (Local Supercluster). בהטלה של הגלקסיות הבהירות ביותר בשמי הצפון והדרום מתגלה ריכוז גבוה של גלקסיות ברצועה שחוצה את השמיים, כמעט בניצב לשביל החלב. המבנה השטוח הזה של גלקסיות מקביל לדיסקה השטוחה של הכוכבים בשביל החלב. אסטרונומים אחרים פקפקו בעבודתו של דה ווקולר, ולא היו בידיו היסטים לאדום שיאששו שהמבנה קיים בשלושה ממדים.
צביר-העל המקומי מכיל את הקבוצה המקומית, את צביר הבתולה ועוד כ-100 קבוצות וצבירים. קוטרו כ-30 מגה-פרסק, עוביו קטן בהרבה, ומסתו הכוללת כ-1015 מסות שמש, שרובה חומר אפל. במילים אחרות, לאור דרושים כ-100 מיליון שנה כדי לחצות את צביר-העל המקומי. המרכז של צביר-העל המקומי נמצא ליד צביר הבתולה, ושביל החלב נמצא קרוב לשוליו. הכבידה של צביר הבתולה חזקה כל כך שהיא מושכת אותנו – את שביל החלב ואת הקבוצה המקומית כולה – לעברה במהירות של כ-250 ק"מ בשנייה. אבל אין סיבה לנדודי שינה: המהירות הזו קטנה מקצב ההתפשטות של היקום בינינו לבין צביר הבתולה (כ-1,200 ק"מ בשנייה), ולכן בפועל אנחנו עדיין מתרחקים ממנו, וכנראה לעולם לא נגיע אליו. (עדכון: בשנת 2014 הראו ברנט טאלי ועמיתיו שצביר-העל המקומי הוא עצמו חלק ממבנה גדול עוד יותר, שנקרא לניאקאה (Laniakea), שקוטרו כ-160 מגה-פרסק).
קוטרם של צבירי-העל הוא 50 עד 100 מגה-פרסק – מבנים פיזיקליים שמשתרעים על פני 160 עד 330 מיליון שנות אור. לשם השוואה, הקוטר של צבירי גלקסיות הוא בדרך כלל מגה-פרסק אחד עד 5 מגה-פרסק. בקנה המידה הגדול ביותר, האסטרונומים רואים "קשרים" או ריכוזים של גלקסיות, מבנים ארוכים וסיביים שנקראים "חומות" (walls), ואזורים שבהם צפיפות הגלקסיות נמוכה מאוד. חלק גדול מהמחקר המודרני מוקדש להבנת הרשת המורכבת הזו. מבחינה מתמטית, המבנה בקנה מידה גדול מתואר היטב למדי כפרקטל – מבנה שבו יש עוד ועוד מבנה בקני מידה קטנים יותר ויותר.
מפות של גלקסיות בשמיים אינן אידיאליות לחקר המבנה בקנה מידה גדול, כי הן מציגות רק שני ממדים: גלקסיות קרובות ורחוקות, שהמרחק ביניהן עצום, עלולות להיראות קרובות זו לזו בהטלה על השמיים. לכן המידע המפורט ביותר על המבנה בקנה מידה גדול הגיע מסקרים קפדניים של היסט לאדום של גלקסיות ב"פרוסות" צרות של היקום. במקום לנסות את המשימה הכמעט בלתי אפשרית של מדידת מרחקים לאלפי גלקסיות, האסטרונומים משתמשים במהירות ההתרחקות (או, באותה מידה, בהיסט לאדום) כמדד מרחק. המיקום בשמיים יחד עם ההיסט לאדום מאפשרים למקם את הגלקסיות במרחב התלת-ממדי. את הסקר הראשון מהסוג הזה ביצעו מרגרט גלר, ג'ון הוקרה ועמיתיהם במרכז האסטרופיזיקה הרווארד-סמיתסוניאן. בעזרת סדרה של פרוסות נפרדות אפשר לשחזר את פיזור הגלקסיות בנפח גדול. הטכנולוגיה מקדמת את התחום במהירות רבה: עד שנות ה-90 נמדד ההיסט לאדום של יותר מ-100,000 גלקסיות, וטלסקופים כמו הטלסקופ של סקר השמיים הדיגיטלי סלואן במצפה אפאצ'י פוינט הגדילו את המספר הזה ליותר ממיליון. האסטרונומים ממפים אזורים גדולים יותר ויותר של היקום, כממשיכי דרכם של הקרטוגרפים החלוצים שמיפו את כדור הארץ לפני מאות שנים.
ההיסט לאדום עוזר לקבוע את המרחקים לצבירים, אבל לשיטת המיפוי הזו יש גם פגמים. אף שצביר שיער ברניקי (Coma) כדורי, במפת היסט לאדום הוא נראה מוארך. ההתארכות נובעת מכך שהמסה הגדולה של הצביר מקנה לגלקסיות שבו מהירויות מסלוליות גבוהות. טווח המהירויות – חלק מהגלקסיות דוהרות לעברנו במסלולן, ואחרות דוהרות הרחק מאיתנו – מותח את פיזור ההיסטים לאדום לכיוון הצופה ובכיוון ההפוך. האסטרונומים קוראים לזה אפקט "אצבע האלוהים" (finger of god). במילים אחרות, ההיסט לאדום הוא מדד מרחק גרוע לגלקסיה בודדת בצביר. עם זאת, אפשר למצע את המהירויות השונות בצביר ולקבל את המיקום האמיתי של הצביר עצמו, גם אם איננו יודעים את המרחק המדויק לכל גלקסיה.
תכונה בולטת בסקרים של גלקסיות וצבירים בנפחים גדולים היא קיומם של חללים ריקים בפיזור הגלקסיות. החתך של החללים הריקים כמעט עגול, וכמעט אין בהם גלקסיות בהירות. ברנט טאלי מיפה את צביר-העל המקומי בשלושה ממדים, ומצא שרוב הנפח שלו ריק לגמרי מחומר מאיר: עד 98% מהגלקסיות תופסות רק 5% מהנפח. הקוטר של חלק מהחללים הריקים מגיע ל-100 מגה-פרסק ויותר – יותר מ-300 מיליון שנות אור של כלום!
התערובת של צבירי-על, חללים ריקים וחומות במבנה של היקום עוצבה בהדרגה בידי הכבידה במשך מיליארדי שנים. האסטרונומים השתמשו בשפה ציורית כדי לתאר את המבנים שהם רואים. בעבר חשבו שהצבירים העשירים פזורים בים אחיד של גלקסיות, כמו קציצות. גילוי השרשראות והסיבים של גלקסיות הוסיף לתמונה גם ספגטי. הפרוסות הראשונות של היקום הראו שהגלקסיות יוצרות מבנים גדולים ומחוברים סביב חללים ריקים בקוטר של 20 עד 100 מגה-פרסק, כמו גבינה שווייצרית. המחקר העדכני ביותר מציע דימוי אחד שמסדר את כל המונחים האלה: המרחב ריק ברובו, הגלקסיות פרושות ביריעות ובסיבים, והצבירים נמצאים בצמתים שבהם היריעות נפגשות – כמו רשת של בועות סבון. האסטרונומים תיארו את המבנה בקנה מידה גדול גם במתמטיקה. מהי הצורה האופיינית (הטופולוגיה) של ההתקבצות של גלקסיות במרחב? לנקודה אין ממדים; במרחב התלת-ממדי זה מתאים לגלקסיות שמפוזרות בלי שום התקבצות. לקו יש ממד אחד, וזה התיאור המתאים לגלקסיות שמסודרות במבנים דמויי חוט. למישור יש שני ממדים, וזה מתאר גלקסיות שכולן נמצאות במבנים דמויי יריעה. ניתוחים עדכניים מראים שלמבנה בקנה מידה גדול יש ממד של כ-1.7, בין 1 ל-2. במונחים גאומטריים, ממד של 1.7 מתאים למבנים שהם בחלקם דמויי חוט ובחלקם דמויי יריעה.
התיאור הזה מתאים רק ליקום של היום. היקום התחיל כגז כמעט אחיד, ונדרשו כל 13.8 מיליארד השנים של ההתפתחות הקוסמית כדי ליצור את המבנה שיש לנו היום. ככל שמביטים רחוק יותר אל העבר, מספר צבירי-העל קטן, החללים הריקים מצטמקים, והיקום חוזר אל המצב המקורי והחלק יותר שלו. בעתיד, ככל שהיקום ימשיך להתפתח, המבנים שקשורים בכוח הכבידה, כמו קבוצות וצבירים, ימשיכו להתכווץ ולהידחס, ועוד גלקסיות יתמזגו. לעומת זאת, רוב צבירי-העל אינם קשורים בכבידה, וההתפשטות המואצת של היקום תרחיק את חלקיהם זה מזה. המבנה שאנחנו רואים הוא תמונת מצב של הרגע הזה.
ובכל זאת, למרות כל המבנים האלה, בקנה המידה הגדול ביותר היקום נראה איזוטרופי והומוגני. בקני מידה של 10 או 30 מגה-פרסק, השונות במספר הגלקסיות גדולה מהשונות האקראית הצפויה מסטטיסטיקה של ספירה (√N) – סימן להתקבצות כבידתית. אבל בקנה מידה של 100 מגה-פרסק, מספר הגלקסיות משתנה רק בשיעור קטן, ובקנה מידה של 300 מגה-פרסק היקום בעצם חלק.
חקר המבנה בקנה מידה גדול חושף שתי תכונות חשובות של היקום בקני המידה הגדולים ביותר שאנחנו יכולים למדוד. ראשית, הוא איזוטרופי: בכל כיוון שמסתכלים רואים יחס האבל דומה, ובכל כיוון רואים סוגים דומים של מבנים – צבירים, צבירי-על וחללים ריקים. שנית, הוא הומוגני. דמיינו שאתם מביטים על חוף ים מגובה של קילומטר וחצי: גרגרי החול והחלוקים לא ייראו, והחוף ייראה חלק ואחיד. באותו אופן, רכס הרים ייראה חלק אם מביטים בו מהירח. הכבידה יצרה כמובן גושים בגדלים שונים, מפלנטות וכוכבים ועד צבירים וצבירי-על של גלקסיות. אבל בקני מידה של יותר מכמיליארד שנות אור היקום חלק – שיקוף של החלקוּת של המצב החם והצפוף המקורי.
→ הסעיף הקודם: 16.11 צבירי גלקסיות | הסעיף הבא: 16.13 חומר אפל בקנה המידה הגדול ביותר ←