给青少年讲宇宙科学

5、可观测宇宙的大小 上节课的结尾，我们提出了这样一个问题：整个宇宙到底有多大 ? 为了给你一个更直观的感受，我将用比喻的方式来回答这个问题。 如果把太阳系想象成一栋别墅，那么地球就是这栋别墅里的一颗玻璃珠。 4000 亿栋“别墅”合在一起，构成了一个“中心城区”。这个“中心城区”叫银河系。 银河系和另外一个“中心城区”（即仙女座星系），再加上周边的 50 个小型星系，就构成了一座“城市”这座“城市”叫本星系群。 本星系群只是一座“小城”。在离它 5000 万光年远的地方还有一座拥有 2000 个星系的“大城市”，叫室女座星系团。以这个室女座星系团为“省会”，再加上方圆 1 亿光年内的 100 多个“城市”，就构成了一个“省”。这个“省”叫室女座超星系团。 室女座超星系团只是 4 个“省”之一。这 4 个“省”像群山一样，环绕着一个位于中心谷地处的“首都”（即巨引源，与地球相距 2.2 亿光 年，其质量能达到银河系的 10000 倍）。这样一来，就在直径 5 亿光年的空间范围内，构成了一个地形如同巨大山谷的“国家”。这个“国家”叫拉尼亚凯亚超星系团。 拉尼亚凯亚超星系团并不是一个“大国”。它连同周边的 4 个“国 家”，构成了一个“国家联盟”，叫双鱼 - 鲸鱼座超星系团复合体。此“国家联盟”的盟主是双鱼 - 鲸鱼超星系团，其疆域至少能达到 10 亿光年。 横跨 10 亿光年的双鱼 - 鲸鱼座超星系团复合体，依然不是宇宙中*大的结构。在它之上还有所谓的星系长城，相当于“大洲”。比较有名的“大洲”包括横跨 14 亿光年的史隆长城，横跨 40 亿光年的巨型超大类星体群，以及横跨 100 亿光年的武仙 - 北冕座长城。而这个与地球相距 100 亿光年的武仙 - 北冕座长城，就是人类目前所发现的*大结构。 而诸多“大洲”又构成了一个直径 930 亿光年的“星球”。这个“星球”就是我们的可观测宇宙（所谓的可观测宇宙，是指以地球为中心、用望远镜能够看到的*大宇宙范围。它只是整个宇宙的一小部分）。 我们已经对宇宙的大小做了一个简要的介绍。你可以把我们能够看到的宇宙，想象成一个直径 930 亿光年、拥有至少几千亿个星系的巨大“星球”。那接下来，就让我们坐上宇宙飞船，按由近及远、由小到大的顺序，来好好看看这个浩瀚的宇宙。 首先参观我们住的这个“别墅”，即太阳系。 太阳系的绝对主宰是太阳。其质量能达到 200 万亿亿亿千克，是地球的 33 万倍，占太阳系总质量的 99.86%。正因为如此，太阳系内的所有其他天体都必须臣服于它，并且周而复始地围绕它旋转。 太阳系总共有 8 环：从内到外，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。值得一提的是，里面的 4 个都是岩质行星，也就是以硅酸盐岩石为主要成分的行星；在岩质行星的中心，一般都有一个以铁为主的金属内核。而外面的 4 个都是气态行星，也就是*外层区域由气体构成的行星；其中木星和土星的外层主要成分是氢气和氦气，而天王星和海王星的外层则包含大量比氢和氦更重的化学元素；所有气态行星的中心，同样有由岩石和金属所构成的坚固内核。 此外，太阳系内还有两个小行星聚集的区域，一个是位于 4 环和 5环间的小行星带，另一个是位于 8 环以外的柯伊伯带。曾是太阳系第 9大行星的冥王星，就位于这个柯伊伯带。在柯伊伯带之外，还有一个包裹着太阳系、直径约为 2 光年的神秘球状云团，叫作奥尔特云，它是很多长周期彗星的故乡。而这个奥尔特云，就是太阳系“别墅”的外墙。 其次参观我们住的这个“城区”，即银河系。 在银河系的正中心，盘踞着一个质量能达到太阳质量 400 多万倍的巨大黑洞，叫人马座 A*。在它的周围有一个恒星相当密集的棒状区域，其长度约为 1 万光年（因为中心区域是棒状的，银河系被称为棒旋星系）；这个棒状区域是一个巨大的恒星“育婴室”，其中包含着大量的新生恒星。中心黑洞和棒状区域，统称为银心。 在银心之外，是一个直径接近 10 万光年的盘状结构，称为银盘。正如图 9 所示，在银盘上有几个恒星比较密集的区域：其核心特征是从银心附近出发，螺旋式地向外延展。这些银盘上的恒星密集区域就是所谓的旋臂。银河系的主要旋臂有 4 条：其中青色的是三千秒差距 - 英仙旋臂，紫色的是矩尺 - 天鹅旋臂，绿色的是盾牌 - 半人马旋臂，红色银河系的旋臂，就像风车一样不断绕银河系中心旋转。需要强调的是，旋臂里的恒星构成并非固定不变。为了便于理解，你可以把旋臂想象成银河系“城区”的交通拥堵区域。因为不断有恒星进入这些区域，同时又不断有恒星离开，所以总体来看，这些交通拥堵区域会一直存在。恒星拥堵区域，这就是旋臂的本来面目。的是船底 - 人马旋臂（图 9 中的虚线代表这些旋臂在理论上存在、但实际上尚未观测到的部分）。除了这 4 条主要旋臂以外，还有一些次要 旋臂，例如，图 9 中橙色的猎户旋臂。我们住的太阳系“别墅”，就位于这个猎户旋臂中。换句话说，我们其实住在银河系“城区”中一个比较荒凉的地段。 而在银盘之外还有一个球状区域，称为银晕。不同于银心和银盘，银晕内部只是稀稀落落地分布着一些非常古老的恒星和球状星团。你可以把银晕当成是银河系的恒星“养老院”。 由银心、银盘和银晕这 3 大部分构成的、直径约为 10 万光年的空间区域，就是我们住的银河系“城区”（也有一些天文学家主张，在银晕之外还有银冕，这样银河系的直径能达到将近 20 万光年）。 然后参观我们住的“城市”，即本星系群。 在本星系群中有两个中心城区，也就是银河系和仙女座星系。而这两大中心城区还各有一群小弟，也就是所谓的矮星系 a。 我们居住的银河系，大概拥有 4000 亿颗恒星；而在它的周围，大概有 30 多个矮星系。其中离地球*近的是大犬座矮星系和人马座矮椭球星系，而名气*大的则是大小麦哲伦星云。大部分矮星系就像卫星一样绕银河系公转，因而也被称为卫星星系。其他矮星系则只是从银河系周围飞掠而过。 另一个中心城区，是与地球相距 254 万光年的一个旋涡星系，即仙女座星系。仙女座星系是本星系群中无可争议的老大，其直径能达到a矮星系是宇宙中质量*小、亮度*弱的一类星系。不过矮星系的数量远远超过大星系。22 万光年，而质量能达到太阳质量的 1.5 万亿倍。类似于银河系，在仙女座星系中心，同样盘踞着一个超大质量的黑洞，其质量能达到太阳质量的 1 亿倍，是银河系中心黑洞质量的 20 多倍。 仙女座星系之所以能成为本星系群的霸主，是因为它已经吞并了大量的矮星系。比较有名的例子，是位于仙女座星系内部的一个非常巨大的球状星团，编号 G1。一般的球状星团包含的恒星数量，都在几百个到几万个之间；而 G1 包含的恒星数量，能达到好几百万个。所以天文学家普遍相信：G1 是一个矮星系被仙女座星系吞并后，所剩下的致密核心。 *惊悚的是，天文观测表明，仙女座星系正在以每秒 110 千米的速度，向银河系飞驰而来。大概再过 40 亿年，两者就会发生碰撞，*终并合成一个巨大的椭圆星系（按照形状，星系可以大致分为 3 类，分别是旋涡星系、椭圆星系和不规则星系）。