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室女座超星系团是目前已知的星系集团中最大的

【作者:黄

地球是我们的家园,构成它的成分主要是铁、氧、硅、镁等一些元素,而地球的质量达到了6×10^24千克,它的半径大约有6400千米,所以在地球表面上那些个高山大海,其实从地球的整体来看只是微小的起伏,但是地球从太阳系的角度来看是一颗并不起眼的行星。

行星系统

太阳系是由太阳和八大行星作为主体来构成的,除了太阳和八大行星之外还有一些称为矮行星、小行星、彗星等等的小天体,在行星系统里面水星、金星、地球、火星它们主要是由岩石来组成的,而另外几颗行星是气态的行星,而在行星系统里面最大的是木星,其次是土星,以地球的轨道半径作为一个单位去度量太阳系的大小,最外面的那颗行星就是海王星,它的轨道半径达到了30倍的地球轨道半径,把地球的轨道半径称为 「天文单位 」,所以说海王星它的轨道半径大约是30个天文单位。

30个天文单位并不是真实的太阳系的疆界的大小,因为在30个天文单位之外,还有一个称为「柯伊伯带 」的小天体聚集地,荷兰天文学家柯伊伯和其他天文学家在研究太阳系的过程里面发现,有一些小行星、彗星它们的运动特征反映了它们是来自于海王星之外的,在2006年国际天文学联合会将冥王星从行星降级为矮行星,因为在太阳系的外面半径大约50个天文单位的地方有一个叫做柯伊伯带的区域,这个区域分布着很多类似于冥王星这种比较小的天体,以及一些短周期的彗星、小行星等等,所以八大行星并不是太阳行星系统的整体。

另外一位荷兰天文学家奥尔特,他猜测在一个更大的空间存在着更多的小天体,这些小天体往往是长周期彗星的发源地,这个区域叫做「奥尔特云」,目前并没有直接的观测证据支持它,但是通过去研究那些周期长到几万甚至几十万年的彗星,发现它们的轨道大小确实可以达到几万甚至几十万个天文单位,所以奥尔特云的存在是非常可能的。

无论是奥尔特云还是柯伊伯带它们的存在其实都反映了在太阳系形成的过程中行星和其他的小天体曾经发生过剧烈的相互作用,一方面行星从周围的气体里面吸收原料,另一方面它们相互之间有可能会发生碰撞,而这种碰撞过程会抛出非常多的小天体,它们一部分聚集在柯伊伯附近,还有一部分落到了奥尔特云的区域。

星际空间

离开太阳系进入到星际空间的话,这个时候天文单位作为距离的单位又显得太小了,所以需要一个更加适合的来描述天体距离单位,这就是 「光年」,光年其实是「光」在一年里面所走的路程也就是9.46×10^12千米,除了光年之外可以有相似的、其他的以光速来表征长度的量,譬如光秒、光分、光时、光天等等,所以用这样的单位可以描述离我们远近不同的天体。

举例说明:

月亮离我们大约是1.3光秒,太阳离我们是8.3光分啊,所以你每看一次月亮,你看的都是大约1秒前的月亮,而你每次看到的太阳其实是8分钟前的太阳,而离我们最近的恒星是半人马座 α它距离我们是4.3光年,而武仙座星团离我们达到了2.5万光年,仙女座星系是远到250万光年,所以我们现在看到的仙女座星系其实是在250万年前发出来的光。

在星际空间里面,距离其实是一个很难以想象的一个量,半人马座是离我们最近的恒星,但实际上它不是一颗恒星,而是一个「三星系统」,其中最近的一颗叫做「人马座Proxima」,如果把银河系的太阳比方成一个网球的话,那么地球的大小就相当于一粒沙子,而这粒沙子如果在1米的距离上在绕着这个网球在运转,那么最近的半人马座它就远在270千米之外。

在太阳附近恒星的密度分布是一个非常小的量,每280立方光年里面才有1颗恒星。在地球上人口平均密度最低的地区是格陵兰岛,每大约100平方千米的面积里面才只有不到3个人,如果用格陵兰岛和恒星的平均密度相比的话,其实恒星的分布要更加稀疏1000倍以上,这也是李商隐在他的诗里面提到:“嫦娥应悔偷灵药,碧海青天夜夜心。”因为到了天上之后,其实感觉到的就是孤寂和清冷。

恒星类比

恒星的大小相差很大,有许多跟我们太阳类似的,但是也有不少比太阳大很多的,当然也有比太阳更小的,所以根据它们的大小对恒星进行分类,有些恒星的半径可以比太阳大100~1000倍,这一类恒星称为「巨星」,更大的称为「超巨星」,这些天体同时也往往是特别明亮的、光度特别的高,所以恒星在大小和光度上的差异,一种可能性是它们在形成的时候就天然地具有了在这些物理参数上的差别,另外一种可能性是恒星在演化的过程中它们的大小和光度发生了变化,为了去区分这两种可能性,就必须要对恒星整体的演化路径做详尽的研究。

「巨星」和「超巨星」虽然特别明亮,但其实数目是非常稀少的,所以著名的天文学家赫茨普龙就比喻说:“巨星和超巨星就像海洋里面的鲸鱼一样的,分布最多的还是那些小鱼、小虾,鲸鱼虽然庞大但是它们的数量非常的稀少。”

星际物质

在恒星之间是分布着叫做「星际物质」的这样一些气体和尘埃,而它们的密度是非常低的,平均来讲在1立方厘米里面才有1个粒子,但是它们的分布很不均匀,有些相对来讲稠密一些,有些非常稀薄,比如「马头星云」的暗星云,它的密度就比较高,所以它可以遮挡背后的星光产生了一个类似马头一样的形状,这也导致我们对于银河系的认识在很长时间里面一直没有一个特别科学的概念,原因就是在于星际物质对星光会产生吸收、会产生散射。

银河系

在光学波段上看到的银河系,那些明亮的区域就来自于恒星的辐射,那些黝黑的区域就是由于星际物质的遮挡而产生的,而正因为这个原因,我们对银河系的研究的历史经历了一段非常曲折的过程,正如苏轼在他的诗里面讲到:“不识庐山真面目,只缘身在此山中。”因为我们的太阳系就恰好位于银河系的盘上面,往周围看的时候受到的星际物质的影响就变得特别的严重。

但是如果换一个波段,在更长的红外波段观看银河系的时候星际物质的影响相对就比较少了,所以可以比较明显地看到恒星的分布,在红外波段观看银河系就会特别清晰地展示出恒星分布在一个盘上面,中央隆起形成了一个称为「河球」的结构,所以银河系实际上是一个盘星系。

如果我们处于银河系外去观察银河系的话,看到的银河系是一个漩涡形的,银河系的盘并不是一个恒星均匀分布的盘,在盘上面有几条旋臂,正因为这个特点银河系称为「漩涡星系」,我们的太阳就位于其中一条旋臂上面,银河系是一个特别庞大的恒星系统,恒星的数目达到1000~4,000亿颗,它的大小达到了10万光年,总质量达到了10,000亿倍的太阳质量,但是银河系也只是一个普通的星系。

本星系群

银河系和其他星系一起构成了一个称谓「本星系群」的星系集团,而在这个星系集团里面有几十个成员星系,其中有两个主角,一个是银河系,另外一位是仙女座星系,它们是本星系群里面最大的、也是最重的两个星系,本星系群的大小达到了大约400万光年,而在银河系和仙女座星系周围都有一些小星系在围绕着它们,并且仙女座星系正在大约以100千米每秒的速度向着银河系运动,最终这两个星系会发生一次「银河与仙女」的大冲撞,在未来的40亿年之后,仙女座星系和银河系发生碰撞、并和,最后合并成一个更大的椭圆形的星系,所以它也揭示了星系的形成和演化其实并不是孤立的,在很多情形下它们受到外界非常严重的影响,特别是那些比银河系大很多的椭圆星系它们的形成过程很可能就经历了大碰撞后的合并,通过大量的星系碰撞并合之后形成的。

室女座超星系团

从更大的尺度比如说达到了上亿光年,这个时候我们去看银河系在宇宙空间的位置的话,本星系群是从属于一个更大的星系集团,它称为「室女座超星系团」,而在室女座超星系团里面包含了上百个星系团或者说星系群,它的中心位置处于室女座的方向,所以室女座超星系团是目前已知的星系集团中最大的,但是在我们可观测宇宙里面,至少有1,000万个超星系团,它们构成了所谓的宇宙的大尺度结构。

大尺度结构·蜘蛛网

在利用星系红移得到的物质分布的图里面,就展示了在几十亿光年大小的尺度上面星系的分布,图上面的每一个点都代表一个星系,星系的分布呈现出一种类似于蜘蛛网的结构,而它们相互之间是连接的,在这里就涉及到我们没法去展示的一种未知的物质,称为「暗物质」,就是它们控制了星系的形成和演化的历史。

(黄姤)总结:时间切片

上面展示的是星系的整体的空间分布,如果说我们想看看星系诞生的时候是什么样子的话,那么我们就得往更远的距离, 往更早的历史的方向去看,也就是所谓的越暗即越远,越远即越早,如果看到越暗的天体就意味着它离我们越远,而越遥远就意味着它诞生的时候距离我们的时间就越长。在3个时间切片里面展示的而是在不同的宇宙的年龄阶段,星系的形状的变化,尤其是在最早期的哈勃极深场的观测里面发现星系的形态往往是不规则的,跟今天我们看到大量的漩涡星系或者说椭圆星系等等差别非常的大,所以说星系的形成演化的历史是非常复杂的。

往更早、更远的地方去看终究会有一个边界,为什么呢?因为光速是有限的,所以我们的宇宙有一个可观测的边界,这个边界的大小大约是465亿光年,宇宙本身或许是无限大的,但是可观测宇宙是有限的,并且观测者位于这个宇宙的中心,当然每一个不同的观测者都有一个他独特的可观测宇宙,所以我们对于宇宙的认识其实是依赖于我们对于宇宙内天体的研究来获得的。

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