宇宙的结构
宇宙由很多物质组成,而不是空无一物,在宇宙中,到处都充满运动著的各种形态物质,比如我们所生活的地球,就是太阳系的一颗大行星。
太阳系现在还有8颗大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除了大行星,太阳系还有40颗卫星(包括月球),以及为数众多的小卫星、彗星和流星体等。这些都是离地球较近的天体,人们也了解得更深入。那么除了这些天体以外,无限的宇宙空间还有一些什么呢?
恒星与星云
晴夜,我们用肉眼能看到的闪闪发光的星星,绝大多数都是恒星,它们像太阳一样,本身就能发光发热。在银河系内,这样的恒星大约有1000多亿颗。
恒星喜欢“群居”,许多都是紧密靠在一起、成双成对,按照一定的规律互相绕转,这称为双星;还有聚星,他们由一些3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起。如果是10颗以上,甚至成千上万颗星聚在一起,那就是星团了,目前银河系里这样的星团有1000多个。
在恒星的世界里,还有一些变星,顾名思义,变星的亮度会变化。这些变星变化有的很规律,有的则无。现在人类已经发现了2万多颗变星。
有时候天空中还会突然出现一颗非常明亮的星,称为新星,它们在两三天内会突然变亮几万倍、甚至几百万倍;还有一种恒星叫超新星,亮度增加更迅速,会突然变亮几千万倍、甚至几亿倍。
除了恒星之外,还有一种云雾似的天体,被称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成,比如有名的猎户座星云,形状就非常不规则。
在广阔星际空间里,如果既没有恒星又没有星云,那还有些什么呢?是绝对的真空吗?当然不是,那里的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场等非常稀薄,而随著科技发展,人类必定还会发现越来越多的新天体。
星系团
星系的空间分布也并非没有规律,也有成团现象。星系团是由上千个以上的星系构成的大集团。宇宙中,属于这种大星系团的星系大约只有10%,大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。不过能够肯定的是,作为宇宙结构中比星系更大的系统,星系团这个层次的尺度大小为Mpc,平均质量是星系的一百倍。
银河系及银河外星系
随著逐步提高的测距能力,人类逐渐对宇宙结构在越来越大的尺度上建立了立体的观念。而第一个重要的发现就是认识了银河系。
银河系是包括太阳系在内的一个庞大恒星集团(包括1011颗恒星),这种恒星集团叫做星系。银河系中的大部分恒星都呈扁平盘状分布,盘的直径为25kpc(千秒差距,1秒差距=3.26光年=30.9兆公里),厚度约为2kpc。盘中心有一个球状隆起,叫做核球,盘外部是几条旋臂构成的,太阳就位于银河系其中一条旋臂上,距离银河系的中心约7kpc。银盘上下延展区也呈球状,其中恒星分布较稀疏,叫做银晕,其总质量约占整体的10%,直径约为30kpc。而就太阳的光度、质量和位置来说,也都不过是银河系成员中极其普通的一颗恒星而已。
不过,并非天上的一切发光体都属于银河系。对于天穹上的某个光点,要想辨别它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系,只能测定它的距离。实际上,虽然天穹上的大多数光点都是银河系的恒星,但与银河系类似的巨大恒星集团也有很多,以前曾被误认为是星云,现在它们称为银河外星系。现在,人类已知的星系有1000亿个以上,比如著名的仙女座大星系、大小麦哲伦星云等,就是肉眼可见的银河外星系。
星系的普遍存在,说明它是宇宙结构中的某一层次,从宇宙演化来看,这个层次比恒星更基本。质量很小的星系因为太暗而不易被看到,一般小星系的质量可低达106M☉(M☉,太阳质量,是天文学上用于表示恒星、星团或星系等大型天体质量的质量单位),星系的典型尺度为几十千秒差距。
1960年代以来,天文学家还找到一种在银河系以外的天体—类星体,它像恒星一样表现为一个光点,但实际上它的光度和质量又和星系一样,现在已发现了数千个这种天体。
大尺度结构
就我们关心的可观测宇宙而言,所谓“大尺度”,就是大量星系红移所揭示的宇宙可见物质总体分布中,大于100Ms的差距。在这些尺度上宇宙最具特色的性质,是可见物质分布在薄膜和纤维(巨大空穴周围)中,看上去就像大量彼此交错的泡沫—宇宙在最大尺度上显现为多泡沫结构。虽然薄膜和纤维只占大约2%的可见宇宙体积,但它们实质上包含了全部可见物质。这些结构中最大的一个叫做长城(Great Wall,又称巨壁、巨墙),离我们不到100Mpc(Mpc,百万秒差距),它是一个膜,由星系团和超星系团组成,所占区域有225Mpc长、80Mpc宽,但厚度只有10Mpc。
宇宙的总密度,十分接近平坦时空所要求的临界值,因为宇宙的这种多泡沫外观与其他因素一样。电脑模拟表明,如果宇宙中有大量暗物质,并且暗物质只能在总密度达到峰值水准的地域明亮星系才能形成,那么明亮星系的分布应非常类似于实际宇宙中的分布。
从演化理论上来说,尺度大到一定程度,就不应再存在结构。这是否符合实际,以及这尺度多大都十分重要,并须透过大尺度观测来回答。而现今人们热烈争论中的焦点,是宇宙在50Mpc以上,是否还存在显著的结构现象。
总之,如果把星系看成宇宙物质的基本单位,那么星系的分布状态就是宇宙结构的表现。现在看来,我们对宇宙结构面貌的基本认识,就是直至50Mpc的尺度为止,星系的分布呈现有层次的结构。