天外奇迹 宇宙的奇迹之认识我们的宇宙

当布赖恩·考克斯教授回来时，他将带领我们穿越时间和空，开始一段激动人心的旅程:你将见证137亿年前，930亿光年宽，遍布1000亿个星系，每个星系包含数千亿万亿颗恒星。

考克斯教授毕生致力于理解我们的宇宙。关于我们自己和我们生活的世界，我们有许多深刻的问题要回答。在这本书里，他决心用一种特殊而又通俗易懂的方式来寻找这些问题的答案。

这本书由科学松鼠会的两位成员谢尔顿和叶全志翻译。以下内容选自本书第一章。

宇宙的尺度几乎是无法理解的，而我们在这个被称为“地球”的小岩石星球上所能做的，就是去认识它。在发现头顶的恒星空重复着一个巨大的循环后，我们逐渐意识到我们是一个巨大系统的一部分，这个系统比太阳系和拥有2000亿颗恒星的银河系要大得多。

我们的银河系邻居

我们的小岩石行星就像一个探索附近星系的看台。离我们最近的恒星太阳距离我们1.5亿公里。当夜幕降临，这颗星隐藏在地平线下时，成千上万的星星反而出现在夜晚空。在地球上最黑暗的地方，我们肉眼可以看到近万颗恒星，它们都是我们赖以生存的银河系的一部分。

星系是由大量恒星、气体和尘埃组成的引力束缚系统。万亿颗恒星在斯里兰卡出生和死亡，以巨大的尺度展现了宇宙万物的生活史。科学家认为哈勃空间中大约有1000亿个星系，每个星系有数亿颗恒星。最小的星系，矮星系，只有1000万颗左右的恒星；最大的巨型椭圆星系可能有100万亿颗恒星。

人们普遍认为星系包含的物质比我们用望远镜能看到的要多得多。认为星系周围存在巨大的暗物质晕，是一种新的物质类型，不同于地球上的任何物质，与普通物质的相互作用非常微弱。虽然我们不能直接观测暗物质，但是它的引力直接决定了我们观测到的星系的形状，很可能在婴儿期就主导了星系的形成。

目前，我们认为银河系这样的星系质量的95%左右是由暗物质组成的。从某种意义上来说，那些明亮的恒星、行星、气体、尘埃都成了配角，虽然有些人会理直气壮地认为这个想法相当无聊，因为暗物质几乎不可能形成恒星、行星、人类等复杂而美丽的结构。无论如何，探索暗物质的本质是新世纪物理学最大的挑战之一。这个有趣的问题，我们会在后面的章节里再讲一遍。

英语单词galaxy来自希腊语单词galaxias，意思是“乳白色的环”。它最早是用来描述银河系的，占据了我们大半个夜晚空，虽然古希腊人对银河系的实际规模一无所知。看着我们的星系中心在夜晚慢慢升起空是大自然最大的奇迹之一。可惜的是，城市的灯光让这种华丽的夜场表演从我们的日常生活中消失了。

对很多人来说，一开始看起来像是从地平线升起的乌云；然而，随着地球的夜面逐渐转向我们银河系的中心，这个朦胧的发光带逐渐显示出它的本来面目。原来它是由分布在银河系中心周围数千光年的数亿颗恒星形成的云。希腊神话把这种缥缈的光解释为宙斯的妻子赫拉洒下的牛奶，在夜里形成了一条模糊的光带空，这也是如今英语中“银河”一词的由来。这个英文单词不是科学家创造的，而是来自中世纪诗人乔叟的笔尖:“看那边的星星，人们叫它银河，因为它是白色的”。

【M87，又名处女座A，是梅西耶星表中的第87颗天体。M87位于处女座星团，是一个离地球5400万光年的巨型椭圆星系。在这张照片中，我们可以看到星系核中巨大黑洞产生的发光气体花瓣。】

Zwicky 18有很多亮眼的年轻明星。根据这些恒星的寿命，这个星系只有5亿岁，因此一度被认为是最年轻的星系。然而最近科学家用哈勃太空望远镜空观测到茨威基18其实有很多老恒星。现在这个星系被认为和其他星系年龄差不多，但是还是有很多新的恒星诞生。】

M33，即三角星系或风车星系，是当地星系团中第三大星系，仅次于银河系和仙女座星系。有人认为是仙女座星系的伴星系。】

【这张照片拍摄于2010年12月，是迄今为止仙女座星系(M31)最清晰的照片。仙女座星系是离我们最近最大的螺旋星系。在这张照片中，我们可以看到正在形成的恒星形成了星系环。】

【这张M51星系的照片生动地反映了它的另一个名字——漩涡星系。它的旋臂一目了然。粉红色的部分是恒星诞生的区域，蓝色的部分是星团。】

绘制银河系地图

我们银河系大约有2000亿到4000亿颗恒星，这取决于有多少暗而弱的矮星难以观测。大多数恒星分布在一个直径约10万光年、厚度为1000光年的银盘中。空之间的这种巨大距离很难给出一个形象的描述。10万光年意味着光以每秒30万公里的速度飞行，穿越银河系需要10万年。我们也可以尝试另一种表达方式:从太阳到太阳系最外层的海王星大约需要4个小时，这个距离是1/6光年。你必须把2.2亿个太阳系首尾相连，从银河系的一端排到另一端。

在我们银河系的中心有一个超大质量黑洞，也许在宇宙所有星系的中心。天文学家通过精确测量一颗名叫S2的恒星的轨道得出了这个结论。这颗星围绕射手座A*运行，射手座a*是位于银心的强射电源。S2的公转周期只有15年，其轨道速度高达光速的2%,是已知天体中最高的公转速度。

如果我们确切地知道一个天体的轨道，我们就可以计算出它所围绕的行星的质量。通过仔细观察S2的轨道，天文学家计算出射手座A*的质量高得惊人，相当于410万个太阳的总和。由于S2距离射手座A*只有17个小时，射手座A*必须小于这个距离，否则S2会撞上。只有黑洞才能在这么小的空间空里容纳这么大的质量，这也是天文学家为什么有信心相信银心里面有一个巨大的黑洞。

最近，天文学家通过研究A*人马座(称为S星群)附近的其他27颗恒星，进一步证实和完善了这个结论。银心是天体活动的熔炉。除了S星座，还有各种天体系统在那里相互作用，相互影响。

例如，拱门星团是银河系中已知密度最高的星团。这个星团由大约150颗年轻而炽热的恒星组成，其中任何一颗都比我们的太阳矮。这些恒星非常明亮，所以它们的寿命很短，它们可以在数百万年内耗尽储存的氢。五角星星团也位于银心附近，拥有银河系中一些最亮的恒星，如手枪星云，这是一颗随时可能演变成超新星的古老恒星。

我们银河系中最拥挤的地方是在这些星团的中心。如果把目光从银心转向外围，随着距离的增加，恒星会越来越稀少，最终到达银河系周围的稀薄气体带——银晕。

2007年，科学家们使用智利建造的超大型望远镜(VLT)成功观测到了银晕中的一颗恒星HE 1523-0901。这可能是银河系中最古老的天体。HE 1523-0901是一颗红巨星，正处于恒星生涯的暮年。它的体积比我们的太阳大得多，但它的表面温度要低得多。

就像考古学家利用一些碳的同位素来确定化石的年龄一样，天文学家通过观察HE 1523-0901中放射性元素——铀、钍、铕、锇和铱的含量，可以准确推断出它的年龄。每一种放射性元素都像时钟一样测量时间，所以当我们可以同时观察多种元素的含量时，放射性定年就成为一种极其准确可靠的定年方法。从这个角度来看，不难理解为什么天文学家对确定HE 1523-0901的化学成分非常感兴趣。

经过仔细的测量和计算，这颗恒星已经有132亿年了——几乎和宇宙一样古老。这些放射性元素是宇宙第一代恒星遗留下来的，这些第一代恒星在宇宙诞生的5亿年内以超新星爆炸结束了自己的生命(见第二章)。

从太阳到太阳系最外层的海王星大约需要4个小时，距离是1/6光年。你必须把2.2亿个太阳系首尾相连，从银河系的一端排到另一端。

[艺术家想象的拱门群。这个星团由年轻的恒星组成，是银河系中密度最大的地方之一。】

【和拱门星团一样，并五苯星团也位于银心附近。】

银河系的形状

我们的银河系不仅体积庞大，历史悠久，而且结构非常美丽。作为一个旋转的棒状星系，银河系有一个被气体圆盘包围的棒状核心和几个由尘埃、气体和恒星组成的旋臂。直到最近，科学家们还认为银河系只有四个旋臂——飞马臂、方臂、盾-半人马座臂和底-半人马座臂，而太阳在一个旋臂分支上，叫做猎户座射电分支。最近发现，矩形臂还延伸出一个独立的环——外围螺旋臂。

太阳，我们最熟悉的恒星，就在猎户座射电分支内部。太阳一度被认为只是银河系中一颗中等亮度的恒星，但现在我们知道它实际上比银河系中95%的恒星都亮。太阳处于主序列星阶段，这个阶段的恒星通过氢氦聚变产生能量，从而发出我们可以看到的光。

对于太阳来说，它每秒钟通过聚变反应将6亿吨氢转化为5.96亿吨氦，剩余的400万吨氢转化为能量，慢慢扩散到太阳的光球层，然后以光的形式穿过银河系扩散到宇宙深处。

文章来源[科学松鼠会]