【原】宇宙有多大？我們能看到什么？宇宙究竟是什么？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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宇宙之廣，從古至今，牽動(dòng)人心

浩渺宇宙，其之廣博，人可探得？

長(zhǎng)期以來(lái)，宇宙的大小對(duì)于天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)都是一個(gè)謎。比如，在早期歷史中，人們想知道月球、太陽(yáng)和其他星星距離地球有多遠(yuǎn)。隨著時(shí)間的推移，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙總是比我們想象的要大。古人認(rèn)為星星是固定在一個(gè)并不遙遠(yuǎn)的天穹上，而今天的天文學(xué)家知道，宇宙是如此之大，以至于它的邊界是未知的。

天文學(xué)家，畫家Granger繪于1530（圖源：Fine Art America）

公元前3世紀(jì)，希臘天文學(xué)家薩摩斯的阿里斯塔克斯選擇在月亮露出地平線四分之一的時(shí)候，試圖通過(guò)對(duì)比月球和太陽(yáng)之間的視線夾角來(lái)確定地月距離與地日距離的比率。基于不精確的數(shù)據(jù)，他的方法表明地日距離約為地月距離的20倍左右。盡管我們現(xiàn)在知道太陽(yáng)實(shí)際上距離我們比月球遠(yuǎn)400倍左右，但他的結(jié)論在當(dāng)時(shí)是革命性的，因?yàn)樗f(shuō)明太陽(yáng)比以前認(rèn)為的要大得多，也遠(yuǎn)得多。

希臘1980年出版的用于紀(jì)念阿里斯塔克斯的郵票；這位天文學(xué)家有著作《論日月大小和距離》流傳至今

（圖源：pixers）

幾十年后，另一位希臘天文學(xué)家，尼西的希帕庫(kù)斯（Hipparque de Nicée），在這方面取得了真正的突破，他估計(jì)的地月距離的誤差小于10％。他通過(guò)測(cè)量月食期間月球穿過(guò)地球陰影所需時(shí)間，輔以巧妙的幾何計(jì)算，從而得出這一結(jié)果。除此之外，他還依靠了埃拉托斯特尼的工作結(jié)果，后者曾估計(jì)地球的直徑為42 000公里（實(shí)際直徑為40 000公里）。

第一個(gè)可靠的計(jì)算方法是公元140年由希臘天文學(xué)家克羅狄斯·托勒密調(diào)整制定的。他利用了一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何方法，展示了如何使用視差法來(lái)計(jì)算我們與恒星間的距離。

三角視差法示意圖（圖源：Wikipedia）

然而，直到近兩千年后，隨著天文觀測(cè)儀器逐漸發(fā)展、改進(jìn)，我們才得以利用視差法進(jìn)行更精確的測(cè)量。地球和太陽(yáng)之間的平均距離（被稱為“天文單位”）是由出生于意大利的法國(guó)天文學(xué)家讓-多米尼克·卡西尼與另一名法國(guó)同僚讓·里歇爾在1672年首次精確測(cè)量而得到。更具體地說(shuō)，是通過(guò)從巴黎和法屬圭亞那同時(shí)觀測(cè)火星來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

而德國(guó)天文學(xué)家弗里德里希·貝塞爾，是第一個(gè)測(cè)量地球與恒星間（除太陽(yáng)外）距離的人。1838年，他成功地估計(jì)出天鵝座61號(hào)星與地球的距離約為11光年。

天鵝座61號(hào)星（中國(guó)傳統(tǒng)名稱：天津增廿九）在星空的大致位置（圖源：JEAN-BAPTISTE FELDMANN）值得一提的是，它們也被稱作貝塞爾星——這是一組雙星系統(tǒng)

畫像：一個(gè)男人站在側(cè)面，左手拿著一個(gè)卷好的文件，右手指著一個(gè)地球儀和一個(gè)建筑物的圖紙

今天，天文學(xué)家有許多測(cè)量距離的方法。對(duì)于銀河系內(nèi)的天體，測(cè)量距離所使用的大部分方法都是從視差法衍生出來(lái)的。而對(duì)于河外天體，天文學(xué)家則使用造父變星法（根據(jù)造父一Delta Cephe命名），這類星體總是以相同方式改變其亮度。

畫：在很黑的背景上有藍(lán)色同心圓，中心是米色的光，一個(gè)X標(biāo)志著底部中心的一個(gè)位置

另一種測(cè)量星系距離的方法則涉及Ia型超新星，它們?cè)诎l(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)總是放出類似的能量。因此，它們被比作 “標(biāo)準(zhǔn)炸彈“：已知強(qiáng)度和亮度的爆炸。于是，通過(guò)測(cè)量它們的視亮度，我們可以確定它們與地球間的距離。

正得益于這些天文測(cè)量方法，我們現(xiàn)在知道，宇宙的大小是不可想象的。舉個(gè)例子作為參考：來(lái)自最遙遠(yuǎn)的星系的光需要超過(guò)100億年才能到達(dá)我們這里。當(dāng)然，我們不可能對(duì)這些代表著什么有很具體的概念，不過(guò)，我們總可以嘗試通過(guò)想象尺度更小的事物（如我們的太陽(yáng)系）來(lái)構(gòu)建概念。

太陽(yáng)系由太陽(yáng)、圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的所有行星和數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小天體組成。奧爾特云，一個(gè)以太陽(yáng)為中心的巨大的彗星庫(kù)，是太陽(yáng)系外圍界限的標(biāo)志；它直徑約為1。6光年。不要忘了，一光年大約是10萬(wàn)億公里。

奧爾特云和太陽(yáng)（圖源：Astronomy，Roen Kelly）

如果我們將太陽(yáng)系中最小和最遙遠(yuǎn)的行星冥王星視作一個(gè)直徑1毫米的針頭，那么太陽(yáng)會(huì)有兩個(gè)沙灘球（直徑30厘米）那么大，并且距離針頭2。6公里。如果把太陽(yáng)放在溫哥華，那么奧爾特云的外側(cè)邊界將在紐芬蘭的圣約翰（約7000公里）！

我們所在的太陽(yáng)系位于漩渦星系銀河系中。據(jù)估計(jì)，銀河系大約包含2000億顆恒星，它們都聚集在一個(gè)“圓盤”中。銀河系的直徑是10萬(wàn)光年；在這種尺度下，太陽(yáng)系也顯得微不足道。如果我們這次把太陽(yáng)系（直徑約1。6光年）視作一個(gè)針頭，那么銀河系會(huì)有一個(gè)曲棍球場(chǎng)（標(biāo)準(zhǔn)曲棍球場(chǎng)面積約為5000平方米）那么大。

一個(gè)中心光點(diǎn)的照片，周圍有分散的光點(diǎn)和紫色環(huán)，在黑暗的星空中形成一個(gè)大的同心圓

銀河系是一個(gè)被稱為“本星系群”的星系群的一部分，其中一共有超過(guò)35個(gè)星系。仙女座星系是這之中最大的，哪怕是在無(wú)月和無(wú)光的夜晚，都可以肉眼看到它。該星系群中的其他星系，如大麥哲倫云和小麥哲倫云，一般都比銀河系小。

本星系群直徑約1000萬(wàn)光年，其中心位于仙女座星系和銀河系之間。如果我們把太陽(yáng)系視作針頭，把我們的銀河系看作曲棍球場(chǎng)，那么本星系群的直徑將會(huì)是6。25公里。

照片：黃色光點(diǎn)，周圍有光環(huán)和其他小光點(diǎn)，背景是非常黑的

照片：在一個(gè)很黑的背景上有幾個(gè)明亮的白點(diǎn)，有些被環(huán)狀物包圍著

本星系群本身也是一個(gè)超級(jí)星系團(tuán)的一部分，即本超星系團(tuán)（也稱室女座超星系團(tuán)）。本超星系團(tuán)包括幾十個(gè)像本星系群一樣的小型星系團(tuán)。整個(gè)本超星系團(tuán)以巨大的室女星系團(tuán)為中心，后者距離銀河系5000萬(wàn)光年。在室女座星系團(tuán)的中心，有一個(gè)“吃人”的超級(jí)星系——M87，它吸引并吞噬其鄰近的星系。

超星系團(tuán)們聚集在一起，形成長(zhǎng)長(zhǎng)的絲狀，綿延數(shù)億光年。它們彼此之間被巨大的空隙隔開(kāi)，這些空隙中只有非常少的星系。而且這些空隙的尺寸非常巨大—— 1億光年。宇宙以這種方式延展到至少130億光年之外。而在此之外，我們無(wú)法直接觀測(cè)到那里有什么。