從銀河系看宇宙

□ 聞 新 朱詩嘉

什么是宇宙？

宇宙是一切物質(zhì)及其存在形式的總和，它包括地球和其他一切天體。所以，宇宙是由空間、時間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一體。

人類對宇宙的認識是先從地球開始的，然后從地球擴展到太陽系，從太陽系擴展到銀河系，從銀河系擴展到星系，從星系擴展到星系團……等等。宇宙是如此之大，包括上千億個星系，但人類可以觀察到的星系數(shù)量非常有限。天文學(xué)家認為，距離人類最近的任何一個可見星系，如果以光速朝它飛去，大約需要10億多年的時間。

在過去的200年里，人類已經(jīng)開始對宇宙的組成有所了解。盡管宇宙空間存在很多星系或超星系，但大部分宇宙空間是空空蕩蕩的，或者是充滿著人類看不見的物質(zhì)。

宇宙空間

宇宙的結(jié)構(gòu)是怎樣？

天文學(xué)家認為宇宙是一系列星系、超星系，以及更大規(guī)模的超星團所排列組成的星網(wǎng)。采用計算機模擬分析，宇宙呈現(xiàn)一種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)上分布著節(jié)點、纖維帶和層。隨著宇宙膨脹，這些微小的高密度區(qū)逐漸吸引更多的物質(zhì)向其聚集，漸漸地，形成了我們今天所能觀測到的宇宙。

在這個星網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，幾乎所有的星系都分布在“纖維絲”上，而在它們的中間則是巨大的空洞，天文學(xué)上稱為“巨洞”。這些巨洞的體積巨大，有些直徑可達3億光年，幾乎空無一物。不過，天文學(xué)家認為盡管看上去那里確實什么都沒有，但實際上那里也許充斥著暗物質(zhì)，有待人類進一步探索。

計算機模擬宇宙星網(wǎng)空間

宇宙的年齡是多少？

宇宙的范圍如此巨大，目前天文學(xué)家還不能算出宇宙的精確年齡，但是，有很多不同的觀測數(shù)據(jù)，可以證實宇宙的年齡大約為140億年。

例如，星體放射出的光譜是一種化學(xué)物質(zhì)，通過測定和分析這種化學(xué)物質(zhì)，就可以確定宇宙的年齡。目前已經(jīng)測定最老的星體的年齡是130億年，它形成初期還要花上10億年左右的時間，由此推算出宇宙的年齡大約為140億年。

再例如，天文學(xué)家測量銀河系中死去的白矮星的溫度，然后推算其死的時間，進而推算其年齡。最老的白矮星年齡大約有120億～130億年，這個白矮星的形成還要花很長時間，所以宇宙年齡最小也要140億年。

另外，天文學(xué)家通過逆推算宇宙膨脹的過程，就會知道星系間的擴展速度，根據(jù)這個擴展速度，計算從宇宙初期到擴展成今天這種程度所需要的時間，即為宇宙年齡。最后結(jié)論也是大約140億年。

圖中方框內(nèi)為銀河系中一顆最古老的白矮星

宇宙究竟有多大？

目前沒有人知道宇宙究竟有多大，所以宇宙的大小可以由人們?nèi)我庀胂螅柚谧钕冗M的望遠鏡，可以觀測到宇宙中至少包含幾千億個星系。真空中的光速是一個常值，那么由于宇宙自誕生以來大約為140億年，這就意味著我們最遠只能看到140億光年遠的地方。所以人們得出結(jié)論：宇宙空間的直徑比140億光年大得多。

從另一個角度看，由于宇宙膨脹速度極快，所以目前我們所能觀察到最遙遠的星系距離我們的距離可以達到465億光年。另外，盡管我們并非居于宇宙的中心，但是我們居于可觀測宇宙的中心，它是一個直徑約為2×465億光年，即930億光年的球體。事實上，宇宙是無限大的、無窮無盡的、無邊無際的。

人類可觀測到的宇宙是一個直徑約為930億光年的球體

宇宙是在變化的嗎？

在過去很長一段時間里，科學(xué)家一直認為宇宙是恒定不變的。在20世紀里，人類一個重要的發(fā)現(xiàn)就是科學(xué)家知道了宇宙是不斷膨脹的，并且這種膨脹幾乎可以以任何速度進行——甚至超過光速。由于宇宙膨脹，使宇宙空間變得越來越大。

直到1924年，科學(xué)家才知道銀河系之外還有其它星系。在那時，美國天文學(xué)家哈勃，通過天文望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一個模糊的光斑，實際上，這個光斑是一組星，大約離地球200萬光年，而且位于銀河系之外；后來，哈勃在美國天文學(xué)會上宣布了關(guān)于河外星系這一重要發(fā)現(xiàn)，由此掀開了探索宇宙的新一頁。

1929年，哈勃觀察到無論什么方向傳到地球上的光線都發(fā)生了紅移，就是頻率變小，波長變長；根據(jù)多普勒定律，這反映的是遙遠星系和地球的距離越來越遠，所以得出了宇宙正在膨脹的觀點。

“星系距離越遠，紅移越大，也就是說，越遠的星系正以越快的速度飛馳而去”，這一規(guī)律已經(jīng)被稱為“哈勃定律”。

哈勃通過望遠鏡觀測宇宙變化

宇宙怎樣膨脹？

天文學(xué)家能看的所有星系都在以相等的速度遠離我們（除了離我們地球非常近的天體之外）。事實上，哈勃定律已經(jīng)表明，“宇宙正在膨脹”。今天，利用航天器攜帶的望遠鏡，天文學(xué)家可以觀測到了遠在100億光年之外的遙遠星系，觀測結(jié)果表明這些遙遠星系正在背離我們的銀河系而迅速遠去。

關(guān)于宇宙膨脹過程，我們可以想象一下，宇宙的膨脹，就好比面包里的葡萄干，這里將面包看作宇宙，葡萄干看作星系，當面包蒸發(fā)的時候，葡萄干之間的距離也會隨之在增大。

用于計算星系膨脹率的NGC4414漩渦星系

哈勃空間望遠鏡

“葡萄干隨著面包向外膨脹”的過程如同“宇宙膨脹”

下期預(yù)告：

下期的題名為“觀察宇宙現(xiàn)象”。主要圍繞著人類對宇宙的了解，觀察宇宙的儀器、什么是暗物質(zhì)、什么是黑洞和什么是脈沖星等問題進行介紹與討論。引導(dǎo)讀者初步了解宇宙現(xiàn)象，了解人類用什么儀器探索和認識我們的宇宙。