作品展播

芥子须弥,宇宙究竟有多大?

从百亿光年说起

    宇宙一直越来越大,它均匀地向各个方向都在膨胀——想象一下,一根正在被拉长的皮筋(一维),或者正在吹胀的气球(二维),表面上任意两点在被拉长或吹胀的过程中互相都在分开:

 

     三维的空间以类似的方式膨胀,所以经过137亿年的演化,现在的宇宙有这么大了:

(图片引自“Observable universe”. 黄色箭头所指:可观测宇宙的边界,直径930亿光年)

   

    注意,这只是我们“看”上去宇宙的样子,事实上,在宇宙中别的地方看宇宙,能看到的物质差不多都一样,只是角度有些许改变罢了,就像中国的世界地图和澳大利亚的世界地图都以自己国家为中心,而世界的整体并没有变化一样。
    不过宇宙还在继续膨胀,甚至加速膨胀,那么可观测宇宙会越来越广袤么?
    答案是会,当然会!但是:

 

    回到那个膨胀的气球那里:若一秒钟内气球的半径从1米吹胀到2米,那么AB间的弧长(π×半径)增长了3米,而AC只增长了1.5米——也就是说,在这个以1米每秒膨胀的气球上,A与C分开速度是1.5米每秒,AB两地之间分开的速度是AC的两倍——是3米每秒。
    这也是人们发现宇宙在膨胀的原因,在宇宙中与我们距离越远的地方,同我们分开的速度就越快(被称为哈勃定律“Hubble's law”)。
    由此,聪明的你一定想的到:距离到了一定程度,分开的速度就会超过光速——意味着我们永远看不到那儿了。
    所以,距离我们超过620亿光年以外的地方,那儿的广袤就与人类无关了,因为我们永远看不到那里。
    宇宙已经很大,以我们人类的智慧,有些地方来不及看就再也看不到。
    再想一想,如果宇宙就这样膨胀,而且是在均匀的膨胀,那么宇宙就是均匀的,如此一来,在这个巨大的宇宙中我们就只能体会到它的广袤,而不会有空旷的感受。但事实上,望远镜观测到的宇宙万物是疏密相间,其形各异的,这是为啥呢?
    之所以有空旷的感受,是因为我们足够渺小呀。
    刚才说的宇宙,动辄就是数百亿光年的尺度,那要到什么程度,我们才能感到“宇宙是疏密相间”这样的对比,也就是看到外界能感受到自身的渺小呢?


三亿光年——宇宙的空旷
    观测表明,在大概3亿光年的尺度上,宇宙看上去是均匀的(引自Observable universe)。在这里贴一张更直观的模拟的结果图,大家看这一整块图和它一步步的放大,大致能反映出宇宙的结构从均匀到空洞/丝状体/片状体/小结构......观测尺度越小,观测范围内的宇宙就越不均匀:
 

(图片引自Millennium Simulation)


    所以,这也就是当今宇宙的“最大空旷程度”,因为,以这么大的体量的视野来打量整个世界,可以发现到哪里几乎都是一模一样。只有往更小了看,才能体会到差异。

 

空旷中的拥挤——千万光年
    银河之外,哈勃望远镜让我们看到了千亿个星系,它们不是均匀分散在宇宙之中,而是成百上千个星系抱作一团,尺度有数百万甚至千万光年。

(图片引自Galaxy cluster)


    睁大眼睛,看那些细长条状的,碟状的,或有弯曲的轮子状的,那些都来自同一个星系团,整个画面上足足有数百个,而每一个星系,又包含着成百上千亿颗恒星。


十万光年——星系的尺度
    从上空俯瞰,星系长这个样子,下图是与我们银河系类似的一个漩涡星系:

(图片引自Galaxy)
 

    从侧面看上去,它类似这个样子:

(图片引自Galaxy)


    所以你看,这些直径可以达到十万光年级别的漩涡星系,实际上就是一个薄薄的盘子。因此,作为“盘子”中的一员,在我们在地球上看到的银河就是一条带状:

(2015.9摄于青海德令哈)


    然后,镜头再次拉远,看看我们银河系的大邻居:

(图片引自Andromeda Galaxy)

 

    这是距离我们最近的一个大星系——仙女星系,她正以秒速110公里朝银河系款款走来,即便有254万光年的距离,在40亿年后,这两个星系也许就碰上了。并且,这种星系碰星系的事情再正常不过,我们银河系现在也在吞噬着临近小星系。
    不过别担心,对于普通的恒星来说,星系碰撞就是神仙打架而已,毕竟星星们之间的缝隙太大了。


十光年——星与星的距离
    那些发光发亮的星星们之间平均下来都有10光年=632710au(注:1au≈1.5亿公里)的空隙!
    比如离我们较近的比邻星,4.2光年;还有在神话故事和电影小说里大放异彩的织女星:

(天顶的织女星Vega,在有云雾的夜晚,亮度依然很显眼)

 

    她足足有26光年之远!虽然,地球的无线电波已覆盖这个星球五十余载,但这个尺度,对于太阳系这样的恒星系来说,简直太远,因为:

 

100au

 

    这是太阳系的尺度,这也是我们能够去真实探索到的“宇宙之大”。
    让我们这样看看它:

 

(1990年2月14日,“旅行者1号”飞船飞到了距离地球大约40au。

控制中心让它回过头最后看一眼它的故乡“地球”时所拍,箭头所指小亮点就是地球)

 

    再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里——在一粒悬浮在阳光中的微尘之上。

                                                        ——卡尔萨根

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作者:何志宏

单位:中科院紫金山天文台

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