杂志汇太空探索

宇宙的尺度

作者:□ 张静华 闻新

□ 张静华 闻新

宇宙长城

天文学家通过观察发现,宇宙中有大量的星系集合现象,这种星系集合的尺度结构看上去就好像长长的链条,所以也称为“宇宙长城”。宇宙长城比星系的尺度要大得多,它也是重力作用的结果。另外,还有一类由丝状构造和空洞组成的更大星系集合,例如,2003年10月20日美国普林斯顿大学天文学家发现长达13.7亿光年的“史隆长城”,好像是星系组成的巨墙,


由一连串星系组成的丝状结构的 “史隆长城”

类星体

类星体看起来很像恒星,但实质是一种拥有高光度强射电和巨大能量的类星射电源。它比星系小很多,但是释放的能量却是星系的千倍以上,其超常亮度使其发射出来的光线能在100亿光年外被观测到。

研究类星体对探索宇宙尺度有着重要的价值,因为它们是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体,并且还在不断远离我们。


类星体

宇宙有多大

目前没人知道宇宙究竟有多大,或许是无限的,或许确实拥有某种边界。天文学家对于宇宙具体的形状和大小存在分歧,但是他们可以非常精确地测量和计算人类可以看得多远。宇宙的最奇特性质之一就是不断膨胀,并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行,甚至超过光速。随着时间流逝,由于宇宙整体膨胀,所有的星系离我们越来越远。

现已观测到距离地球约为134亿年的类星体,结合宇宙膨胀理论,该类星体距离地球较远,远离地球速度更快等方面综合考虑,计算出的一个可观测宇宙的半径约为465亿光年,这仅仅是借助目前的测量仪器和方法所得出的结论。如果想要进一步研究这个问题,需要探索运用新的测量方法进行测算。


膨胀的宇宙模型

宇宙大爆炸

宇宙大爆炸学说认为,宇宙诞生于约138亿年前一次大爆炸,最初宇宙无限紧密,之后从这一点开始,中子、粒子等基本粒子互相远离,随着温度的降低逐步形成原子、原子核、暗物质等物质。大爆炸散发出的物质,起初组成类星体,随后花费了100亿年的时间才形成我们生活必需的太阳。大爆炸之后,引力与斥力相互作用和干预,物质有序排列,成为我们今天所见并且仍在膨胀的宇宙。


被认为组成宇宙结构的暗物质模型

宇宙的有限性与无限性

宇宙是无限还是有限的呢,目前没有答案。无限宇宙论认为,如果你从地球向某个宇宙方向一直前进,你最终会进入重复出现的空间中。也就是说,最终你会发现一个相同的你,似乎我们能够进入另一个平行宇宙空间。

有限的宇宙论认为宇宙具有可观测的半径,自137亿年前的大爆炸后,宇宙就开始加速碰撞,由于地球并不处于宇宙的中心,137亿光年仅为大爆炸后光传递到地球的距离。有限的宇宙论认为有限的宇宙半径约为950亿光年,或更大。


欧洲空间局普朗克望远镜绘制的宇宙微波背景辐射图

宇宙命运会如何

目前,关于宇宙命运主要有三种不同的假设,但其结论都是宇宙灭亡。

第一假设是大撕裂理论。暗能量将让宇宙的结构发生扭曲,导致星系首先撕裂,紧随其后的是较小的黑洞、行星和恒星。最终,宇宙将化为乌有,只剩下单一粒子并且不与宇宙内的其他任何物质存在联系。

另一种假设被称之为“大收缩”。如果宇宙内的物质随着时间推移不断减少,大收缩便会出现,导致引力成为占据支配地位的力。引力导致宇宙收缩,其结果是恒星、星系和行星相互撞击,宇宙发生塌陷。

最后一种假设是物质随着宇宙的膨胀慢慢衰变成辐射。经过数万亿年的变迁,甚至构成余下物质的原子也开始衰变和分解。恒星最终溶解,黑洞蒸发殆尽,甚至光粒子最终也将消失。


艺术家想象的宇宙被撕裂过程

时间和空间关系

人类向宇宙越深处观察得越深,就越能看到宇宙早期历史。既“我们看得越远,我们就看得越远”,这里的第一个“远”指的是空间上的远,第二个“远”则指时间上的远。天文学家们一直在利用宇宙的时间与空间的联系研究宇宙的历史。2016年3月,哈勃空间望远镜捕捉到 了134亿光年外的星系GN-z11,也称婴儿星系。天文学家测算出这个星系的光是在宇宙大爆炸4亿年后从该星系出发,在茫茫宇宙中旅行了134亿年才被我们捕获。GN-z11正处于成长期,它孕育新生恒星的速度很快。


人类观测到的离地球最远的星系GN-z11

下期预告:太阳系不是宇宙中心,我们不能看到宇宙的边缘,但能够看到非常遥远的宇宙。下期的题目为“宇宙中的太阳系”,将介绍太阳系在宇宙中的位置、太阳系在宇宙中的状况、太阳系外层空间的形状等知识。

 

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