宇宙多少歲了?存在第二個地球嗎?

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據美國國家航空航天局(NASA)近地天體研究中心(Center for Near Earth Object Studies)稱,5月27日一顆直徑約1.77千米的小行星將掠過地球,這預計將是在整個2022年接近地球的最大的一顆小行星。

從透過望遠鏡觀測宇宙奧祕,到一次次發射衞星與飛船中奔赴蒼穹,人類對時間和空間的探索從未停止。光年尺度下的敍事,讓人類在認識宇宙之中也在認知自我。

宇宙大爆炸之前是什麼樣子?神祕的“暗物質”“暗能量”到底是什麼?宇宙膨脹的背後,有着怎樣的規律?澎湃問吧邀請《天文愛好者》雜誌社社長盧瑜,一起聊聊人類如何探索神祕宇宙。

宇宙多少歲了

@子非魚啊: 宇宙從誕生到現在到底有多少歲了?宇宙的體積到底有多大,它有邊界嗎?

盧瑜:目前對宇宙年齡的估算,一個比較公認的數值是138億年。按照目前的觀測證據,整個宇宙仍處於一個加速膨脹的狀態;如果想準確的描述宇宙空間的尺寸大小,這是目前難以做到的。根據公式的計算,整個宇宙存在一個最小的直徑,大約是23萬億光年。作為對比,我們所在的銀河系的直徑約為十萬光年。不過,根據目前人類的觀測能力,有一個“可觀測宇宙”的概念,可觀測宇宙的直徑當前的數值大約是930億光年。

@澎湃網友eENRVv:宇宙的最小直徑是23萬億光年,也就是説 光要跑23萬億年。而宇宙的年齡只有138億年,也就是説從大爆炸開始,光只跑了138億年,那這個宇宙的直徑是怎麼來的?難道大爆炸的時候宇宙擴張的速度比光速還快嗎。超光速不是會產生時光倒流嗎?

盧瑜:目前的觀測證據是,宇宙空間一直在加速膨脹。這導致了雖然宇宙的年齡只有138億年,也就是説宇宙從大爆炸開始經歷了大約138億年的演化時間;但是在空間上,由於各個部分都在同時膨脹,所以宇宙本身的尺度跟宇宙的年齡,一個光年、一個是年,這二者並不矛盾,目前看也不存在時間倒流的問題。

宇宙裏存在第二個地球嗎

@船開來:宇宙裏面除了各種星體之外,還由哪些成分構成?

盧瑜:目前計算的結果是組成宇宙的成分裏68%是暗能量,27%是暗物質;其他的正常物質佔比差不多是5%,這其中包括了各種恆星、黑洞、星雲、星際物質等等我們所熟悉的部分。

@Chelsea:暗物質到底是啥?

盧瑜:天體相互間存在着引力的作用,這能夠解釋我們很容易觀測到的一些現象,例如月球圍繞着地球運動,這兩個天體又一起圍繞着太陽運轉。引力作用把太陽系、銀河系、以及更大的星系團維繫在一起。

在上個世紀,茲威基(Zwicky)對星系團的內部結構進行研究,並通過測量星系團旋轉的速度來研究星系團的質量。他發現:通過測量得到的速度,用引力效應可以推測出內部星團質量,但這比在不同波段直接能夠觀測到的質量要大得多。這些多出來的質量是實實在在的但卻無法直接觀測到。他首次使用了“暗物質”一詞,來描繪這種不可見物質。再後來,其他天文學家在研究星系旋轉的時候,也證實了這個結果。利用引力透鏡現象,也就是通過測定光線在引力場中的偏轉,也能夠間接證實並研究暗物質的存在。對於暗物質究竟是由何種粒子構成的,如何才能直接探測到,目前還沒有明確的結論。

@De loin:請問宇宙裏會存在第二個地球嗎?

盧瑜:地球只是位於太陽系的一顆普通行星。從現有的理論看,由於地球與太陽的距離合適,以及地球本身的特點,使得地球在其46億年的漫長時間裏逐漸演化出了生命。

從上世紀90年代天文學家發現第一顆系外行星以來,截止到今年的3月份人類已經發現了超過5000顆系外行星。由於行星本身並不發光,所以只能通過間接的手段,例如通過天體相互遮掩測量光度變化,來探索系外行星的存在。理論上看,宇宙中肯定存在足夠多的系外行星,並極有可能存在着各方面條件都與地球類似的行星。不過,在我看來,每一顆地外行星都應該是獨一無二的。

@萬折必東:如果把太陽系看作是1類星系,銀河系是2類星系,有沒有可能,人類目前所觀察到的所有星系,包括銀河系及所有河外星系,都是一個3類星系的一部分?也就是説,你們所認為的宇宙其實只是一個3類星系而已?

盧瑜:為了對事物有更好的理解,弄清楚其層次結構當然是很重要的。例如,我們深入到微觀世界,已經瞭解到了物質是由分子構成的,而分子可以被分解為原子。原子還可以進一步分解為質子、中子和電子。藉助於大型對撞機,我們還知道質子和中子可以進一步細分為夸克,等等。那麼宏觀上,對於天體的結構也有類似的分類。

最小的當然是我們所在地地球以及地球所在的太陽系,如果只考慮到冥王星,那麼直徑約為80個天文單位;如果把最外圍的奧爾特雲都算上的話,那麼直徑可能要到30萬個天文單位的距離了。相比之下,地球和太陽的距離是1個天文單位。

再往外走的話,太陽系就不夠看了,它只是銀河系中的一顆中等體量的恆星,而在銀河系中有着數千億顆(1000億顆-4000億顆)的恆星;這是一個有着10萬光年直徑的大星系,太陽系只是孤懸在其中一條旋臂上,距離銀河系的中心有着2.7萬光年的距離。

向外再擴一步的話,銀河系屬於所謂的“本星系羣”。星系羣是在引力作用下若干星系的集合體,而所謂本星系羣包含了50多個星系,跨越了大約600多萬光年的距離。在其中,最大的是仙女星系,而銀河系只能屈居第二。成員星系數目較多的星系羣,有時也被稱為星系團。目前,已經有數萬個星系羣、星系團被發現;大量的星系羣、星系團聚合在一起,形成了更大的一個結構:超星系團。我們本星系羣所在的被稱為“本超星系團”,其中處於相對中心位置的是室女星系團,其中包含有大約2000多個星系,直徑超過1200萬光年。而本星系羣在其中體量就顯得小多了。超星系團是我們在宇宙中發現的最大結構之一。

希克森緻密星系羣40,圖片來自NASA

當然,通過觀測,例如著名的斯隆數字化巡天項目,天文學家們發現了宇宙中的更大尺度結構。例如巨大的纖維狀結構,名為“斯隆長城”(Sloan Great Wall),這其中包含了一大片星系,長度達到了5億光年,厚度僅為1500萬光年;宇宙間還有巨大的空腔結構,被稱為空洞。在大尺度上,宇宙看起來就是有這些空隙和絲絲縷縷的結構組成的。

研究天文學有啥用

@thismoment: 請問人類通過科技發展和探索,目前去到的太空最遠距離是哪裏?如果不能去到更遠,是什麼原因導致了限制?

盧瑜:在上世紀70年代,美國先後發射了幾個著名的探測器,包括先驅者10號、先驅者11號以及旅行者1號和旅行者2號等等;這些探測器都早已遠離地球,飛到了太陽系邊沿,向着行星際空間進發。其中,截止到2022年1月,旅行者1號與地球之間的距離估計已經達到了155.8個天文單位,相對而言它應該是距離我們最遙遠的人造天體,只不過我們早已無法接收來自它的信號了。

旅行者一號

而人類能夠親自去的最遠距離,就是始於上世紀60年代的載人登月計劃,先後有6批共18名航天員登上月球,其中12人完成出艙並來到月面執行任務。對於地球上的人類而言,月球有着38萬公里的距離,他們算是到過最遠的地方了。

如果人類不能去到更遠的地方,原因是多方面的。簡言之就是當前的科技還不足以支持在更遠的距離上,對航天器的結構、動力、生命支持系統、通訊等多個方面進行足夠的保障。當然也可能存在其他的社會或是倫理問題。

@吹起的怪風:天文學對人類未來的作用是什麼?目前人類在哪些方面受益於天文學?

盧瑜:首先,我個人的看法是對於包括天文學在內的諸多基礎科學如果持有過於功利的態度,顯然是不太合適的。天文學是以興趣和好奇心為驅動的,這就決定了需要在更高的角度來理解這門學科。不過,基礎學科當然是有用的,用處而且很大。天文學也是如此。

在人類誕生初期,最早便被人類關注、並被研究和用來指導日常的生產生活的基礎學科中就有天文。我們知道,最早的人類研究物理和材料的問題,這可能與人們日常房屋搭建、工具製造有關;人們需要研究數學,計數和統計應該是很有需求的問題;而觀天象、研究日月星辰的運行,用來分辨季節、頒定曆法、指導人們的農業生產。這些無疑都對當時的人類生活息息相關。

人們通過天文學研究,探索和思考的是最為本源的一些問題,從日月星辰的運行規律,到宇宙的結構、起源和演化等等。為了讓天文學家們看得更遠、分辨得更細、計算得更精確,會伴隨着諸多科學理論和工程技術的快遞進步,並在成熟的時候反哺於人類的日常生活,保護人類並提升整體的生活水平。例如,對近地小天體的觀測研究不僅是為了豐富和完善太陽系的演化模型,也是為了盡力防範預警對地球的危險撞擊,讓人類不至於像6000萬年前的恐龍一樣面對災難束手無策;愛因斯坦提出的相對論固然可以解釋水星在近日點的進動,但也可以用來修正衞星上的時鐘,使其服務於地面的導航……

當然,即便是完全不考慮這些,人類還是要有更多追求的,這是能夠在地球上諸多生物中脱穎而出的重要一點。從更高的層面上來看,我認為通過對這些問題的思考,推動天文學等不同科學知識在公眾中的傳播和普及,可以給人類帶來更理性、客觀、平和看待世界、看待問題的方式。我認為這應當是天文學及其他基礎學科最為重要的作用。

人類最大太空望遠鏡:韋伯太空望遠鏡

@柒星:數學對於研究宇宙有多大作用?

盧瑜:自古以來,數學就誕生於人類的日常生活之中,並且一直扮演極為重要的角色。人們需要統計自己的獵物、工具和人口,需要用數字來跟蹤和標定日月星辰的運動。數學既像是人類發明的一種工具;又像是早已自然存在的現象,只不過被人類敏鋭地把握和提煉出來了。不過隨着人類歷史的不斷髮展,人們開始不滿足於地面上的基礎研究而將目光望向天空、對準宇宙的深處,數學也隨之取得巨大的發展和進步,並反過來推動了更多的驚人發現。

如果沒有數學,我們對於整個宇宙圖景的理解可能進展會非常緩慢,甚至可能仍然侷限在太陽系這一小片範圍之內,苦苦思考這些不同星星之間的相互關係。正如開普勒接受了哥白尼的日心説理念,又作為第谷的助手獲得了大量觀測資料後,他對行星的運動進行了定量的數學解釋。這就是著名的行星運動三定律,為構建精確的太陽系模型、預測行星運動奠定了堅實基礎。

隨後到了十七世紀的後半葉,牛頓在思考彗星的運動情況時意識到物體以非線性的方式運動,使用基本的代數理論進行描述是不夠精確的,於是便引入了微積分。當時的萊布尼茨也獨立做到了這一點。這個巨大的變革讓數學這一工具能夠更精確地描述行星和其他天體是如何圍繞太陽運動的。所以在19世紀,當人們利用這些工具對天王星的軌道進行計算時,發現與觀測的實際情況存在偏差,這直接導致天文學家們推算出了更外側的海王星的存在。這是目前唯一的一顆先利用數學工具計算出位置、後用觀測證實的天體。顯然數學讓人們對太陽系乃至整個宇宙圖景的理解更為深入。

二十世紀以來,量子理論開始逐步成形。似乎在量子的世界裏,牛頓的經典理論不是那麼適用。愛因斯坦提出了狹義和廣義相對論,這不僅是物理上的進步,也是數學上的進步。這意味着可以在一個全新的角度描繪引力、質量、能量、以及整個宇宙。當然,這其中還有很多需要修正和調和的地方,待解決的問題還很多。這些問題的思考和解決都需要通過數學去實現。

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