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天之文:宇宙的阶梯(二)

2020-05-17 16:59:55   发布:高全归      点击:

       上一次,我们乘着想象的翅膀飞出了太阳系。现在,无尽的星空正扑面而来,让我们继续探险。

2012年,“旅行者”一号探测器越过了冥王星轨道,离开太阳系(图片来源/NASA)
       首先来看看太阳系周围的邻居吧。在太阳系中,唯一的恒星是太阳,我们居住在它的第三颗行星上,距离太阳一个天文单位(1AU,或1.5亿公里)。于是我们自然要问:下一颗恒星在哪里呢?

望远镜观测到的半人马座α星(图片来源/NASA)
       天文学家测量发现,距离我们最近的恒星,叫做半人马座α星(α读作“阿尔法”,是希腊字母表的第一个字母),中国古人叫它“南门二”。这颗星靠近南方的夜空,我们想要看到它,最好去到比较靠南的省份,比如广东或者海南。在早期,人们凭肉眼观测夜空,以为半人马座α星是一颗星。随着观测技术进步,天文学家发现,原来这颗夜空中第四亮的恒星居然是由相互靠近的三颗恒星组成的,其中,两颗比较大的恒星:半人马座α星A和半人马座α星B相互围绕对方旋转,形成一个“双星系统”。二者当中,前者比太阳略大,后者大小与太阳相当。第三颗小得多的恒星:半人马座比邻星,则在更远处以更大的轨道包围着那一对双星旋转。这是一个精妙的三合星系统,用物理学的话说,这是一个“三体问题”。我国科幻作家刘慈欣在其代表作《三体》中,设想在我们的这个邻居里居住着一个高度发达,历尽沧桑的外星文明。在一次次毁灭与重生后,这个文明开始向着宇宙进发,寻找新的家园。

半人马座三星的基本结构(图片来源/百度)
       说到这里,我们不禁要问:这个邻居距离我们有多远?我们记得:冥王星距太阳40AU,或59亿公里。但是,在太阳系与半人马座α星的距离面前,40AU却是微不足道的。到了这个尺度,我们需要放弃天文单位AU,改用另一种距离单位“光年”来衡量:我们与半人马座α星相距4.3光年。那么,一光年有多远呢?
       在生活中,我们常说北京到上海有1300多公里,但我们也可以说:北京到上海要坐2小时飞机。前者直接指明两个地点的空间距离,后者则通过时间来间接地指明空间。比较起来,后者似乎更麻烦一些。但某些时候,这种以时间换空间的方式也有好处。在这个例子中, 2小时这个“时间数字”要比1300公里这个“空间数字”简单很多,抄写和记忆更加方便。其次,对于常坐飞机,熟悉飞行速度的人来说,看到“2小时”就一目了然,看到“1300公里”则需要想一阵。尤其当人们去到一个陌生的国度,要估计一些不熟悉的距离时,往往更愿意听到“开车3小时到”这样的说法。

图片来源/百度
       当然,以时间来间接衡量空间的方法要想用得好,需要满足两个条件:第一,交通工具的速度要足够快,例如飞机的飞行速度很快,这样才可以将大的空间数字(1300公里)化为小的时间数字(2小时),如果我们采用乌龟的爬行速度来衡量,那数字就会越化越大;第二,这个交通工具的速度要基本稳定,不能一天变一个样,大家对此速度也有共同的体验(例如开车,人们基本默认平均车速为70公里每小时)。否则,同样的空间数字,化为时间数字后也会不停改变,无法使用。
       天文学家在试图衡量宇宙中非常大的距离(空间数字)时,恰好发现了一种极好的“交通工具”可以使用,那就是光。测量表明:光在真空中的传播速度非常快——每秒30万公里!事实上,物理学家认为,光速是宇宙中最快的速度了,没有任何物体可以追上光。此外,光速非常稳定,无论在房间里测量,还是在飞机上测量,光速都是一模一样:30万公里每秒。实际上,爱因斯坦的狭义相对论认为:光速在宇宙里所有地方都是这个数字,不会改变(我们暂不讨论介质光速等复杂情况),这个奇怪的结论叫做“光速不变原理”。
       综上所述,这神奇的光,极好地满足了我们对于“交通工具”的需求,于是我们就用它来做这件“以时间换空间”的事情。按照刚才给出的光速,我们很容易可以算出来:光从地球到月亮只需一秒多一点;光穿过地球和太阳的距离:1.5亿公里(1AU),只需要8分钟多一点。我们每天看到的太阳光,就是在8分钟以前从太阳表面发出来,最终跑进我们眼睛里的,因此,站在地球上只能看到8分钟以前的太阳;如果站在冥王星上看日出,看到的是约5个半小时以前的太阳,这可是足足59亿公里,人类发射的探测器需要10年左右才能飞完这段距离。

新地平线号(New Horizons)—冥王星(Pluto)—卡戎(Charon)(图片来源/NASA)
       可见,光速的威力巨大。我们之前提到,一个天文单位(1AU)看似很大,但与太阳系到半人马座α星的距离相比实在太小,我们需要选择一个以光速衡量的大距离来作为新的单位。天文学家一不做二不休,干脆定义一个单位叫做“光年”——从这个名字就能看出“以时间换空间”的意图。1光年的长度,等于光在一年当中所走的距离:一年有365天,一天24小时,一小时有3600秒,最后乘以光速30万公里每秒,其结果约为9.4万亿公里。半人马座α星与太阳系相距4.3光年,大约就是40万亿公里,以目前的人类最快的探测器速度,从地球出发,需要飞行7万5千年才能到达那里。那意味着,想要今天到达半人马座比邻星,我们需要在旧石器时代后期就出发。这,就是我们和邻居的距离。
       现在,我们可以来估计一下太阳系的尺度在宇宙里是怎样的级别了。观测表明:恒星之间的平均距离普遍在5到6光年左右。为了方便,我们不妨粗略一些,取恒星平均间距为50万亿公里(5.3光年),太阳系半径为50亿公里。一眼可见:二者相差一万倍。所以,站在恒星之间的尺度看太阳系,只有万分之一那么小。如果沿用我们的比喻:将恒星的平均间距比作一条百米跑道,那么太阳系刚好相当于跑道尽头的一截大拇指。在这惊人的距离面前,太阳系里的种种复杂运动统统可以忽略不计了。
       以上简单的估算表明:宇宙当中的恒星分布其实相当稀疏,在我们周围,除了半人马座α星,还有其他一些“近邻”的恒星,距离都在几光年到十几光年左右。最有名的一颗就是冬季夜空中的最亮恒星:天狼星,距离地球8.6光年,这“一颗”亮星,其实是两颗星组成的双星系统,它在恒星演化的研究中十分重要,我们将来还要再提到它。

图中左边的亮星就是天狼星(图片来源/ESO)
       现在,让我们手握光年这把标尺,去丈量更远的地方吧。准备好,一系列真正的“天文数字”即将到来。
       恒星不仅仅有单星,双星,三合星,还会出现更多恒星聚集成团的现象,叫做星团。许多农村生活过的人也许听过一个著名的“七姊妹星”,那其实是几百颗恒星聚集成的一个“疏散星团”,我们肉眼只能分辨其中最亮的七颗星。更有甚者,还会有几万颗,十几万颗恒星聚集成更加紧密的“球状星团”在宇宙中飘荡。我们肉眼可见的满天繁星,就包含了无数的恒星和星团,其实,这些恒星和星团并不是孤立存在着的,而是属于一个更加庞大的恒星帝国——银河系。银河系是一个典型的“星系”,样子好像一个巨大的圆盘,这个圆盘由2000亿颗恒星组成(太阳只是其中普通得不能再普通的一个成员)。这个圆盘的直径达到了10万光年,也就是说,宇宙里速度最快的光,穿越整个银河系需要10万年时间。
       如果把宇宙比作身体,那么星系就是这身体的细胞。星系作为组成宇宙的最基本单元,其内部往往有着自成一体的运动方式:所有外围恒星都围绕星系中心旋转,好比一个放大了无数倍的太阳系一样。不仅如此,星系这个整体也可以作为中心,吸引着其他的小星系围绕自己旋转。银河系算是一个大星系,它拥有几个更小的“卫星星系”,比如著名的大小麦哲伦云等。

小麦哲伦云(红外光) (图片来源/NASA)
       距我们最近的另一个大星系是仙女座星系,约250万光年——我们今天看到的是它250万年前的样子。当我们的祖先:非洲大陆上的古猿在摆弄石头时,它发出了这些光,穿越遥远距离后,光到达了地球,进入了太空望远镜里,被记录下来分析研究。通过这些光,我们看到了仙女座星系美丽的旋涡在绚烂地涌动——那是另一个庞大的帝国。

仙女座星系(图片来源/百度)
       当我们站得更高更远,我们将会看到:银河系,仙女座星系等约50个大大小小的星系,组成了一个更加庞大的系统:本星系群。这个“群”的直径约为1000万光年。不过,到这里还没结束。本星系群之上还有一个更大的集团叫做室女座超星系团。这个“团”包括本星系群在内约1500个星系,其尺度达到了1亿光年的量级。

室女的眼睛(The eyes of the Virgin) (图片来源/ESO)
       再往上走,室女座超星系团和长蛇座星系团,矩尺座星系团等共同构成一个更庞大的结构:拉尼亚凯亚超星系团,其中包含10万个星系,尺度延展达到5.2亿光年。目前为止,这就是人类所观测到的最大的成团结构。我们的宇宙似乎就是由这些超级星系团一个个地拼凑,搭建起来的,它们相互缠绕,相互作用,形成了密密麻麻的海绵状结构,天文学家称之为“空洞”和“细丝”:所谓的细丝,好比海绵中的丝线,实际上那是星系团形成的“星系长城”;所谓空洞,则是指星系团分布得比较稀疏,类似海绵孔洞的区域。

基于观测数据对宇宙大尺度结构(空洞与细丝)进行的计算机模拟结果(图片来源/百度)
       那么,我们的这块“宇宙大海绵”有多大呢?结论是:如果把“可观测宇宙”视为一个球体的话,这个球体的半径约为450亿光年。当我们极力望向宇宙深处,我们只能看到这么远了(原因以后会详细交代),而天文学家相信,整个宇宙应该比这要大得多。
       我们的旅行到了这里也就接近了尾声。以上所述,就是宇宙大戏得以上演的空间舞台。下一篇,我们来聊一聊宇宙的时间尺度究竟有多么久远。(文/马驹)

宇宙大爆炸和膨胀(The Big Bang and expansion of the universe) (图片来源/NASA)


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