从银河系看宇宙

□ 闻 新 朱诗嘉

什么是宇宙？

宇宙是一切物质及其存在形式的总和，它包括地球和其他一切天体。所以，宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。

人类对宇宙的认识是先从地球开始的，然后从地球扩展到太阳系，从太阳系扩展到银河系，从银河系扩展到星系，从星系扩展到星系团……等等。宇宙是如此之大，包括上千亿个星系，但人类可以观察到的星系数量非常有限。天文学家认为，距离人类最近的任何一个可见星系，如果以光速朝它飞去，大约需要10亿多年的时间。

在过去的200年里，人类已经开始对宇宙的组成有所了解。尽管宇宙空间存在很多星系或超星系，但大部分宇宙空间是空空荡荡的，或者是充满着人类看不见的物质。

宇宙空间

宇宙的结构是怎样？

天文学家认为宇宙是一系列星系、超星系，以及更大规模的超星团所排列组成的星网。采用计算机模拟分析，宇宙呈现一种纤维网状结构，其网络上分布着节点、纤维带和层。随着宇宙膨胀，这些微小的高密度区逐渐吸引更多的物质向其聚集，渐渐地，形成了我们今天所能观测到的宇宙。

在这个星网结构中，几乎所有的星系都分布在“纤维丝”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，天文学上称为“巨洞”。这些巨洞的体积巨大，有些直径可达3亿光年，几乎空无一物。不过，天文学家认为尽管看上去那里确实什么都没有，但实际上那里也许充斥着暗物质，有待人类进一步探索。

计算机模拟宇宙星网空间

宇宙的年龄是多少？

宇宙的范围如此巨大，目前天文学家还不能算出宇宙的精确年龄，但是，有很多不同的观测数据，可以证实宇宙的年龄大约为140亿年。

例如，星体放射出的光谱是一种化学物质，通过测定和分析这种化学物质，就可以确定宇宙的年龄。目前已经测定最老的星体的年龄是130亿年，它形成初期还要花上10亿年左右的时间，由此推算出宇宙的年龄大约为140亿年。

再例如，天文学家测量银河系中死去的白矮星的温度，然后推算其死的时间，进而推算其年龄。最老的白矮星年龄大约有120亿～130亿年，这个白矮星的形成还要花很长时间，所以宇宙年龄最小也要140亿年。

另外，天文学家通过逆推算宇宙膨胀的过程，就会知道星系间的扩展速度，根据这个扩展速度，计算从宇宙初期到扩展成今天这种程度所需要的时间，即为宇宙年龄。最后结论也是大约140亿年。

图中方框内为银河系中一颗最古老的白矮星

宇宙究竟有多大？

目前没有人知道宇宙究竟有多大，所以宇宙的大小可以由人们任意想象，但借助于最先进的望远镜，可以观测到宇宙中至少包含几千亿个星系。真空中的光速是一个常值，那么由于宇宙自诞生以来大约为140亿年，这就意味着我们最远只能看到140亿光年远的地方。所以人们得出结论：宇宙空间的直径比140亿光年大得多。

从另一个角度看，由于宇宙膨胀速度极快，所以目前我们所能观察到最遥远的星系距离我们的距离可以达到465亿光年。另外，尽管我们并非居于宇宙的中心，但是我们居于可观测宇宙的中心，它是一个直径约为2×465亿光年，即930亿光年的球体。事实上，宇宙是无限大的、无穷无尽的、无边无际的。

人类可观测到的宇宙是一个直径约为930亿光年的球体

宇宙是在变化的吗？

在过去很长一段时间里，科学家一直认为宇宙是恒定不变的。在20世纪里，人类一个重要的发现就是科学家知道了宇宙是不断膨胀的，并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至超过光速。由于宇宙膨胀，使宇宙空间变得越来越大。

直到1924年，科学家才知道银河系之外还有其它星系。在那时，美国天文学家哈勃，通过天文望远镜发现了一个模糊的光斑，实际上，这个光斑是一组星，大约离地球200万光年，而且位于银河系之外；后来，哈勃在美国天文学会上宣布了关于河外星系这一重要发现，由此掀开了探索宇宙的新一页。

1929年，哈勃观察到无论什么方向传到地球上的光线都发生了红移，就是频率变小，波长变长；根据多普勒定律，这反映的是遥远星系和地球的距离越来越远，所以得出了宇宙正在膨胀的观点。

“星系距离越远，红移越大，也就是说，越远的星系正以越快的速度飞驰而去”，这一规律已经被称为“哈勃定律”。

哈勃通过望远镜观测宇宙变化

宇宙怎样膨胀？

天文学家能看的所有星系都在以相等的速度远离我们（除了离我们地球非常近的天体之外）。事实上，哈勃定律已经表明，“宇宙正在膨胀”。今天，利用航天器携带的望远镜，天文学家可以观测到了远在100亿光年之外的遥远星系，观测结果表明这些遥远星系正在背离我们的银河系而迅速远去。

关于宇宙膨胀过程，我们可以想象一下，宇宙的膨胀，就好比面包里的葡萄干，这里将面包看作宇宙，葡萄干看作星系，当面包蒸发的时候，葡萄干之间的距离也会随之在增大。

用于计算星系膨胀率的NGC4414漩涡星系

哈勃空间望远镜

“葡萄干随着面包向外膨胀”的过程如同“宇宙膨胀”

下期预告：

下期的题名为“观察宇宙现象”。主要围绕着人类对宇宙的了解，观察宇宙的仪器、什么是暗物质、什么是黑洞和什么是脉冲星等问题进行介绍与讨论。引导读者初步了解宇宙现象，了解人类用什么仪器探索和认识我们的宇宙。