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布赖恩·考克斯教授归来,借这本《宇宙的奇迹》,他将带领我们穿越时间与空间,开始一段充满真知灼见而又令人兴奋的旅程:你会见证那个137亿年之久,930亿光年之广,1000亿个星系星罗棋布,而每个星系又包含着千亿、万亿颗恒星的无法想象的庞然大物。

考克斯教授一生致力于认识我们的宇宙。关于我们自己,关于我们所生活的世界,我们有许多深刻的问题需要回答。在这本书中,他决心用一种特殊而易于理解的方式为这些问题寻找答案。

本书由科学松鼠会的两位成员李剑龙(Sheldon)和叶泉志(小龙哈勃)合作翻译,以下内容选载自本书第一章。

宇宙的尺度大得几乎不可能让人理解,而我们在这小小的、被称为“地球”的岩石星球上能做的,也只能是认识到这一点。当发现头顶上的星空重复着一个巨大的周期之后,我们逐渐认识到,我们是一个巨大体系的一部分,而这一体系比太阳系以及那包含2000亿颗恒星的银河系要大得多得多。

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 【点击查看大图】

我们的星系邻居

我们这小小的岩石星球就像个探索邻近星系的大看台。太阳这颗最靠近我们的恒星,距离我们1.5亿千米之遥。当夜晚降临,这颗恒星隐没在地平线下之时,千万颗星星取而代之,出现在夜空中。在地球上最黑暗的地方,我们仅凭肉眼就能看到近万颗星星,它们全都是我们赖以生存的银河系的一部分。

星系是大量恒星、气体和尘埃形成的一个引力束缚系统。万亿恒星生于斯死于斯,以庞大的尺度展现了宇宙万物的生活史。科学家们认为,在可观测宇宙中有大概1000亿个星系,每一个星系都有数以亿计的恒星。最小的星系,即矮星系,仅有大约1000万颗恒星;而最大的巨椭圆星系可能有100万亿颗恒星。星系中所包含的物质比我们用望远镜所能看到的要多得多,这一点已得到普遍接受。人们认为星系周围存在巨大的暗物质晕,这是一种新的物质类型,与地球上的任何物质都不相同,并且与普通物质间的相互作用十分微弱。尽管我们不能直接观察到暗物质,但它的引力作用却直接决定了我们所观察到的星系的形态,并且它也很可能主导了宇宙婴儿时期星系的形成过程。目前我们认为,像银河系这样的星系,大概95%的质量都由暗物质组成。从某种意义上来说,那些明亮的恒星、行星、气体和尘埃都成了配角,虽然有人会理直气壮地认为这种想法是相当无趣的,因为暗物质几乎不可能形成恒星、行星到人类等复杂而美丽的结构。无论如何,对暗物质本质的探寻是新世纪物理学最大的挑战之一。在后面的章节,我们会再谈论这个有趣的问题。

“星系”的英文单词galaxy来自希腊语单词galaxias,意为“乳白色的环”。它最早用来描述占据我们大半个夜空的银河,尽管古希腊人对银河的实际尺度没有任何概念。看着我们的星系中心在夜空中徐徐升起,这是大自然最伟大的奇观之一,遗憾的是城市的灯光已经让这一壮丽的夜间表演从我们的日常生活中消失了。在许多人看来,它一开始看起来像是从地平线上升起的乌云;但随着地球的夜面逐渐转向我们的星系中心,这条朦胧的发光带才逐渐显现出它的本来面目,原来那是分布在银河系中心周围数千光年的区域里、上亿颗恒星形成的云雾。希腊神话将这片缥缈的光解释为宙斯妻子赫拉的乳汁泼洒出来,在夜空中形成了一条模糊的条带,这也是如今英语中“银河”一词的由来(译注:Milky Way直译为“乳白色的路”)。这个英语单词并非科学家所创,而是来自于中世纪诗人乔叟的笔尖:“看那边的星群,人们称之为银河,因为是白色之故”(译注:引自《乔叟文集》,方重译)。

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【M87,也被称为室女座A,是梅西耶星表中的第87号天体。M87位于室女座星系团中,是一个距离地球5400万光年的巨椭圆星系。在这张照片里,我们可以看到星系核中巨大黑洞所制造的炽热气体瓣。】

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【兹威基18有许多明亮的年轻恒星。根据这些恒星的寿命来估计,这个星系的年龄只有5亿年,因此它一度曾被认为是最年轻的星系。但最近科学家们使用哈勃太空望远镜观察发现,兹威基18其实也有许多老年恒星。现在这个星系被认为和其他星系年龄差不多,只是仍然有许多新的恒星在诞生。】

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【M33,即三角座星系或风车星系,是本星系群中第三大的星系,仅次于银河系和仙女座星系。有人认为它是仙女座星系的伴星系。】

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【这张照片摄于2010年12月,是迄今为止最清晰的仙女座星系(M31)的照片。仙女座星系是距离我们最近的、也是最大的旋涡星系。在这张照片里,我们可以看到正在形成的恒星构成了一个个星系环。】

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【这张M51星系的照片形象地反映了它的另一个名字——涡状星系。它的旋臂一目了然,粉红色部分是恒星诞生的区域,蓝色部分是恒星构成的星团。】

绘制银河系之图

我们的银河系大概有2000亿到4000亿颗恒星,具体数值取决于其中有多少难以观测的暗弱矮星。其中的绝大多数恒星都分布在一个直径大约10 万光年、厚1000光年的银盘内。这一巨大的空间距离很难给出形象的描述。10万光年意味着光以30万千米每秒的速度飞奔,需要花10万年的时间才能横穿银河。我们也可以尝试另一种表述:从太阳到太阳系最外围的海王星,大概需要4光时(译注:光在1小时内走过的距离即1光时),这段距离就是1/6光日。你得将 2.2亿个太阳系首尾相连才能从银河系的一端排到另一端。

在我们银河系的中心(简称银心),或许在宇宙中所有星系的中心,都有一个超大质量的黑洞。天文学家们通过精确测量一颗名叫S2的恒星的轨道才得出这个推断。这颗恒星围绕着人马座A*公转,那是位于银心的一个强射电源。S2的公转周期仅为15年,轨道速度高达光速的2%,是已知天体中公转速度最高的一个。如果我们精确地知道某天体的轨道,就可以计算出这个天体所环绕的星球的质量。通过仔细观测S2的轨道,天文学家们计算出人马座A*的质量高得惊人,相当于410 万个太阳质量的总和。由于S2距离人马座A*仅有17光时的距离,人马座A*肯定比这个距离要小,否则S2就会撞上它了。要在这么小的空间内装下如此巨大的质量,只有黑洞可以做到,这就是为什么天文学家们很有信心地认为银心存在一个巨大的黑洞。最近,天文学家们通过研究人马座A*附近的其他27颗恒星[叫作S星群(译注:此处的S是“源”—source的缩写,不应该与光谱型中的S型星混淆)]进一步证实和完善了这一结论。银心是天体活动的大熔炉。除了S星群以外,还有各种各样的天体系统在那里相互作用,相互影响。比如,圆拱星团是银河系内已知的密度最高的星团。这一星团由大约150颗年轻而炽热的恒星组成,其中随便哪一颗恒星的体积都能让我们的太阳相形见绌。这些恒星非常明亮,因此寿命也很短暂,在大概几百万年时间内就能耗尽它们所贮存的氢。同样在银心附近的五合星团则拥有一些银河系里最明亮的恒星,比如手枪星云星,这是一颗随时可能演化为超新星的老年恒星。我们的银河系里最拥挤的地方就在这类星团的中心区域。如果将目光从银心转向外围,随着距离的增加,恒星便会越来越稀少,最后我们会到达银河系外围的稀薄气体带——银晕。

2007年,科学家们使用建于智利的甚大望远镜(VLT)成功地观测到了银晕内的一颗恒星HE 1523-0901。这大概是银河系里最年老的天体。HE 1523-0901是一颗红巨星,正处于恒星生涯的暮年。它的体积远大于我们的太阳,但表面温度却要低得多。正如同考古学家们利用碳的某些同位素来测定化石的年龄一样,天文学家们通过观测HE 1523-0901中的放射性元素——铀、钍、铕、锇和铱——的含量便可精确地推断它的年龄。每一种放射性元素都像时钟一样计量着时间,因此当我们能同时观测多种元素的含量时,放射性测年法便成了极其精确可靠的测定年代的方法。从这一点来看,我们不难理解为什么天文学家们会对测定HE 1523-0901的化学成分非常感兴趣。经过精心测定和计算,这颗恒星已经有132亿岁了——和宇宙差不多一样年长。这些放射性元素是宇宙第一代恒星留下来的遗产,而这些第一代恒星在宇宙诞生5亿年之内便以超新星爆炸的方式结束了它们的生命(见第2章)。

从太阳到太阳系最外围的海王星,大概需要4光时,这段距离就是1/6光日。你得将2.2亿个太阳系首尾相连才能从银河系的一端排到另一端。

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【艺术家想象的圆拱星团。这一星团由年轻的恒星组成,是银河系内恒星最密集的地方之一。】

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【和圆拱星团一样,五合星团也位于银心附近。】

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【位于照片中央的白色亮星就是手枪星云星,它是我们银河系中最明亮的恒星之一。】

银河系的形状

我们的银河系不仅体量庞大,历史悠久,而且结构也非常精美。作为一个棒旋星系,银河系有一个气体盘环绕的棒状核心,还有数条尘埃、气体和恒星构成的旋臂。直到不久前,科学家们还认为银河系只有4条旋臂——飞马臂、矩尺臂、盾牌-半人马臂和船底-人马臂,而太阳处在一个叫“猎户射电支”的旋臂分支上。最近人们发现矩尺臂还延伸出一个独立的环——外缘旋臂。

太阳,这一我们最熟悉的恒星,就在猎户射电支的内侧。太阳一度被认为只是银河系里一颗中等亮度的恒星,但现在我们知道它其实比银河系里95%的恒星都要明亮。太阳正处于主序星阶段,这一阶段的恒星由氢-氦聚变产生能量,从而发出我们能见到的光亮。对太阳而言,它通过聚变反应每秒钟将6亿吨的氢转换为5.96亿吨的氦,剩下的400万吨氢则化为能量,缓慢地传播到太阳的光球层,再以光的形式传遍银河,传向宇宙的深处。

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28 Responses to “[宇宙的奇迹]我们在宇宙中的位置”

  1. 凌晨晓骥说道:

    除了图片漂亮以外,我觉得文不对题,做天文工作很累我知道,但是这篇文章标题写着“我们在宇宙中的位置”,内容确实对银河系和其他星系的介绍。那么问题来了,我们到底在宇宙中的什么位置,看完了还是没看到。或许这篇文章起名"我们周边的星系“更为恰当。

    而且必须指出的是,谈论我们在宇宙中的确切位置,本身就是个伪命题,标准宇宙学认为宇宙没有中心,各项同性。所以根本不可能找到一个原点来定位宇宙中所有的星系。那么宇宙中所有的星系位置都是相对的。 我们观测到将近上百万个星系团,但是没有证据证明哪一个星系团是可以作为宇宙中的“中央星系团”。

    正因为如此,谈论宇宙的具体位置,不如讨论我们的近邻宇宙更为恰当。在我们的附近,2014年夏威夷大学有了新的发现 认为:Laniakea星系团是主导我们本星系团。并发布在nature
    http://www.nature.com/nature/journal/v513/n7516/full/nature13674.html#close
    我们在宇宙中的位置可以表述为:
    solar system- Milk Way - Local group - Laniakea Super cluster

  2. xoda说道:

    轨道周长15*0.02=0.3光年,半径不是约0.05光年=17光日吗……后文17光时?请给出原始链接

  3. 胡子曰说道:

    137亿年之久,930亿光年之广。

    什么天体能比光跑得更快,以致以在137亿年的时间里,走到了930/2亿光年远的地方?

    • dylan说道:

      我们也都想具体了解下这个是什么原理。以至于我们能看到930亿光年之远。

    • hzh说道:

      宇宙膨胀的比光快

      • 胡子曰说道:

        相对论如何解释这种超光速?

        • gundamfire说道:

          空间的膨胀并不带来信息,因此不违反相对论。

          • 李一车说道:

            gundanfire说:“空间的膨胀并不带来信息,因此不违反相对论。”
            不带来信息怎么知道膨胀了?没信息就什么也没有,谈不上违反不违反谁。

          • galac说道:

            所谓“带来信息”是指超越光速传递信息好吗﹉搞的跟个佯缪似的,差点就把相对论推翻了

    • 梦昕说道:

      拜托,光年是长度单位

  4. KTF说道:

    宇宙之外又是什么?

  5. willliamxiao说道:

    宇宙膨胀的速度超越光速并不违反相对论。因为膨胀的是空间本身。就像两个人都没动,但是它们之间的距离变远了。新的空间就在两个人之间的空间间隔中生长。

    • 外星人说道:

      宇宙空间并不可能膨胀 因为虽然有四作用力保证物质聚集在一起 但是如果空间发生膨胀 那么在微观尺度上一样会膨胀 但是我们并没有看见一个人膨胀开来 明白?当然你可以假设空间不动物质在动和空间在动而物质不动等等各种预设的情况然后再找反例来扩展他的边界而不是一有反例就说明预设完全错误 另外你也可以认为相干性产生感受 如果两个东西不相干也就是说他们之间完全不产生任何影响那他们两个东西可以互相认为不存在 那么如果你需要构建一个能感知的物质世界的话 各种相干性的交织规则才是根本 传统的宇宙观点认为四方上下谓之宇 古往来今谓之宙 并没有物质什么事 为啥呢 你可以把物质认为是一种振动 只有相干的振动才互相影响 就好像光不通过光栅这一堆额外的相干振动他就不会表现出波粒二象这种褪相干机制 空间为啥这么冷倒是可以帮助理解这个事情 因为太热的东西会表现出强相干性他是一个宽范围的适应 而冷的东西则不会他范围不大振动微弱 那么可以认为宇宙是被故意冷却到一个值的 而他之所以这么冷是因为大量物质聚集在一起振动需要热量 所以他就被吸冷了 就好像激光制冷和制冷陶瓷片一个道理 你可以认为人是一个频率的振动而喵是另一个频率的振动而已 从这个角度出发 宇宙还真没有物质什么事 如果非要描述一个点在宇宙中的位置那么他一定是一个线性的结构 不考虑时间的话他永远是一个点 但是由于加入时间轴后就没有不会动的东西作物参照物了他就没有褪相干机制所以很难确定一个点在宇宙中的位置 但是你可以确定他在宇宙中部分区域的轨迹构成的形状和形状的位移以及多个层级上的观察维度上的相干影像 比如一个点在一亿分之一秒的运动轨迹是一个球 在一秒的尺度上是这个球到底是无序的乱跑看起来像一堆雾还是一个静止的点还是有序的构成一个星系移动呢 或者是一个人是小时为单位的振动那么他在年这个时间层面里面走过的路线看起来会是一个什么样子 因为这和你所在的尺度是相关的 你的眼睛和处理器之间有一个响应时间来作为参照的系 这就是两个相干的时间 你作为人之种频率很难有褪相干的判断的

      • 外星人说道:

        简单的说就是物质聚集在一起就是为了撑开一片结构空间用的 但是太过于密集的话结构强度受不了就会分离 至于结构空间到底与什么东西抵触还真是一个看不见的但是相干的东西 至于这种与宇宙里所有东西都有共振都相干的东西到底动力来自何处倒是一个谜

  6. galac说道:

    当人类开始思考在宇宙中的位置 上帝一拍脑袋: 我把宇宙放哪了,刚刚还在这..

  7. 隐月说道:

    我们看向宇宙观测到的是不同时期光的集合
    但理论上我们能得到从开始观测到现在的光年半径内的宇宙地图,不知道有没有这样的图

  8. alb11p说道:

    向远看是宇宙,向近看是微粒子,如果把已探得的这个宇宙缩小到微粒子层级,也许有许多这样的宇宙粒子,构成一滴水,一片叶。未知的领域太空虚,让宗教来填充吧。

  9. 说道:

    宇宙有界吗,有若干个宇宙吗?

  10. xmd说道:

    只看了一眼银河系形状的描述,发现了很严重的错误。银河系应该是旋涡星系(有四个旋臂),而不应该是棒旋星系吧!

    • Illusiwind说道:

      “棒旋星系指的是中间具有由恒星聚集组成短棒形状的螺旋星系。大约三分之二的螺旋星系是棒旋星系。”
      看不懂别人说的是什么就别乱说别人错了。

      • 天道遒劲说道:

        感觉还是xmd说的比较靠谱。有4条旋臂还能称为“棒”吗?至少它与鲁智深的禅杖或是孙悟空的金箍棒相去甚远。如果一定要扯上“棒”的话,到不如说是
        周杰伦的双节棍了。《旋转双节棍星云》?星系形态分类学家们可能要喷饭(也可能是喷面包)了。。。。

        • Illusiwind说道:

          既然这样那您赶紧加入美国天文学会去给他们提意见啊,人就管它叫 barred spiral galaxy,把您的意见解释给他们听听。

          • 天道遒劲说道:

            申请加入American Astronomical Society,AAS ?正苦于无人引荐呢,入党也需要有介绍人嘛。。。不知道是不是可以毛遂自荐?其实,正确与错误并存,或称为靠谱与不靠谱并存,本来就是生活中的常态,更是科学探索和问题讨论中的常态。在AAS历史上,在年会论文中曾经为漩涡或旋棒星云是否是银河系内的天体发生过严重的意见分歧,甚至在会议发言中争论到接近翻脸的程度,不过在几年以后,此事就不用再争论了,双方只需要一笑了之。。。
            非常惊奇Illusiwind 先生神速的跟帖回复,无论在白天甚至是后半夜,都会在两三小时之内参战,如果像我等十天半月来逛一次的话,断不能有如此快速反应,是否有网帖监测&提醒之类的神器?好佩服。。。

          • Illusiwind说道:

            右上角不是有最新评论么。每当有新贴的时候我会顺便看一眼。
            所以争论星云是不是在银河系里跟这个有什么关系?那个是事实问题,这个是定义问题。冥王星被降级之前它就是行星,降级了之后就不是;银河系这个中间有棒的形状定义成棒旋星系那它就可以这么叫,跟旋臂有几个没关系。你说的那个,难不成还能把外边那些星系给“定义”成银河系里的天体?

  11. 天道遒劲说道:

    上文《绘制银河系之图》的计算有误。4光时是太阳系行星盘的半径,直径就是8光时或0.33光日。所谓“太阳系首尾相连”应当是按照直径而不是半径排列,否则就会有100%的交叠。1光年可以排列约1100个太阳系直径,那么银河系直径10万光年应该是排列1.1亿个太阳系而不是2.2亿个太阳系。

  12. 李艺说道:

    忽略,这个评论是测试数据

  13. 光之物理说道:

    物质结构光子说将马克思主义哲学相对论光量子理论数学推演和各种物理现象综合起来理解物质及其运动统一性联系性的美!理解光生万物万物就是光!物质结构光子说基于相对论和光量子理论得到了比较系统的关于质量,能量,光子,电子和物质的观点!得到了比较好的物理结果!提出基本实物粒子(电子,中微子)是光子的黑洞态学说。导出电子的相对论质速关系式和光电统一方程将引力电力写进统一的数学方程式。将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组,揭示了光子与实物粒子(电子和中微子)的内在统一性,指出了光子的动质量m=hv/cc与实物粒子(电子,中微子)惯性质量的本质上的统一性!指出电子(中微子)静质量和动质量的本质就是电子(中微子)中心处于黑洞态的光子的动质量,揭示了质量的本质及起源!万有引力的起源以及他与光子的内在关系!得到了正负电荷概念的全新理解认识!提出了正负电荷可相互转化理论!提出了一种利用一定数目具有一定动能(动质量)的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想,得到了质子和中子的半径,计算出核力的大小和强度,解释了核力的短程饱和性。解释了原子核在发生核反应时静质量变化的本质和内在机理,解释了各种核现象!具体论证请读周银兵新浪博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_701055fe0101bd1n.html

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