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宇宙结构

当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。分为:地球 ⊆ 地月系 ⊆ 内太阳系 ⊆ 太阳圈 ⊆ 太阳系 ⊆ 奥尔特云⊆ 本星际云 ⊆ 本地泡 ⊆ 古尔德带 ⊆ 猎户臂 ⊆ 银河系 ⊆ 银河系次集团 ⊆ 本星系群 ⊆ 室女座超星系团 ⊆ 拉尼亚凯亚超星系团 ⊆ 双鱼-鲸鱼座超星系团复合体[可疑 –讨论] ⊆ 武仙-北冕座长城[可疑 –讨论]⊆ 可观测宇宙 ⊆ 宇宙

恒星和星云是最基本的天体。太阳系中共有八大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(冥王星已被从行星里开除,降为矮行星。)除水星和金星外,其他行星都有卫星绕其运转,地球有一个卫星:月球,土星的卫星最多,已确认的有17颗。行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86%,其直径约140万千米,最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米。有证据表明,太阳系外也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内,从侧面看很像一个“铁饼”,正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年,太阳位于银河系的一个旋臂中,距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体,称为河外星系,常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团,叫星系团。平均而言,每个星系团约有百余个星系,直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形,其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团,只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。本超星团(超星系团)构成的丝状结构是宇宙中已知的最大结构,一个典型的丝状结构的长度是70至150百万光年,丝状结构与空洞构成长城,空洞指的是丝状结构之间的空间,空洞与丝状结构一起是宇宙组成中最大尺度的结构。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距,长城是所知宇宙中被观察到的最巨大非结构,其中史隆长城是所知最长的长城,距离地球约10亿光年,长达13.7亿光年,其次是CFA2长城。天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间,它称为总星系。

宇宙由星系的巨大超星系团构成,星系周围是大团看不见的空荡荡的太空。每个星系又包含了数以十亿计的恒星,构成这些恒星的物质是一些小得看不见的粒子。质子、中子和电子是最

我们的宇宙由四种力或它们之间的相互作用支配,这四种力即引力、电磁力、强核力和弱相互作用力。这些作用力是由一团粒子带来的,这团粒子叫规范玻色子,它们在构成物质的粒子之间相互交换。物理学家一直试图证明这四种力也许实际上源自于一种单一的基本力。

引力

引力是一种既能将星系结合起来,又能引起一根针下落的力。两个物体的质量越大、相互越靠近,它们之间的吸引力就越强。由于引力波的发现说明了引力的本质是具有质量的物体在时空里造成的时空塌陷,进而对外界产生“引力”影响。

磁力

电磁力作用于所有带电荷的粒子之间,比如电子。作用于固体原子和分子之间的电磁力使固体具有硬度,这种力也具有磁性和发光的特性。携带电磁力的粒子叫光子,它也是产生光线的粒子。

强核力

强核力存在于一个原子的原子核(核)内,它把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起(质子经常试图互相推开,如果没有强核力,它们将相互飞开)。载有强核力的粒子叫做胶子。

弱相互作用

弱相互作用引起放射性衰变(原子的原子核破裂),称为贝塔衰变。放射性的原子不稳定,是因为它的原子核容纳了太多的中子,当贝塔衰变发生时,一个中子变成一个质子,释放出电子(这种情况下称为β粒子)。弱相互作用是由W粒子和Z粒子传递的。

普适规则

许多年来,物理学家们试图用单一的科学定理来解释宇宙的运动,他们正向着“普适规则”方向进行研究。“普适规则”认为所有力中引力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联的,并且指出所有亚原子微粒可能都是由一种基本粒子产生的。 

“宇宙是有限的还是无限的?有没有中心有没有边?有没有生老病死有没有年龄?”这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清楚的答案,让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩,表现出了极高的层次性。

(1) 行星

我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星和一颗矮行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。矮行星为冥王星(根据2006年8月24日国际天文学民间联合会大会的决议,以4%通过:冥王星被视为是太阳系的“矮行星”,不再被视为大行星)。除了大行星以外,还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的,是人们了解的较多的天体。那么,除了这些以外,茫茫宇宙空间还有一些什么呢?

(2) 恒星和星云

晴夜,我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星,他们绝大多数是恒星,恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好"群居",有许多是"成双成对"地紧密靠在一起的,按照一定的规律互相绕转着,这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起,称为聚星。如果是十颗以上,甚至成千上万颗星聚在一起,形成一团星,这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。

在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律,有的没有什么规律。已发现了2万多颗变星。有时候天空中会突然出现一颗很亮的星,在两三天内会突然变亮几万倍甚至几百万倍,我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星,会突然变亮几千万倍甚至几亿倍,这就是超新星。

除了恒星之外,还有一种云雾似的天体,称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成,形状很不规则,如有名的猎户座星云。

在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里,还有些什么呢?是绝对的真空吗?当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展,人们必定可以发现越来越多的新天体。

(3) 银河系及河外星系

随着测距能力的逐步提高,人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展,是认识了银河。它包含两重含义,一是了解了银河的形状,二是认识了河外天体的存在。

银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团,约包括1.6×10的11次方颗恒星。这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星分布成扁平的盘状。盘的直径为25kpc(千秒差距,1秒差距=3.26光年=3.09亿亿米),厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起,称为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上,距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区,其中恒星分布较稀疏,称为银晕。晕的总质量约占整体的10%,直径约为30kpc。我们的太阳,就其光度,质量和位置讲,都只是银河系中一个极普通的成员。

此外重要的是,并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。设想有一个类似银河系的恒星集团,处于500kpc的距离上(银河自身大小为30kpc)。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。因此对天穹上的某个光点,只有测定它的距离,才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上,天穹上的大多数光点是银河系的恒星,但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团,历史上曾被误认为是星云,我们称它们为河外星系,已知道存在1000亿个以上的星系,著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在,表明它代表宇宙结构中的一个层次,从宇宙演化的角度看,它是比恒星更基本的层次。

星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙(太阳质量单位)。在明亮的星系中,这是典型的大小。质量很小的星系太暗,不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。若对视星等在23等以内的星系作统计,星系总数在109以上。

20世纪60年代以来,天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体,但实际上它的光度和质量又和星系一样,我们叫它类星体,已发现了数千个这种天体。

(4) 星系团

当我们把观测的尺度再放大,宇宙可看成由大量星系构成的"介质",而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样,为了了解宇宙结构,需关心星系在空间的分布规律。

星系的空间分布不是无规的,它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是,星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距,平均质量是星系平均质量的100倍。

(5)大尺度结构

人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构(观测到的宇宙的大小是104Mpc)。大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是,有迹象表明,星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的"空洞"区,而星系聚集在空洞的壁上,呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

从演化理论来考虑,尺度大到一定程度,应不再有结构存在。这是否符合事实,以及这尺度多大,都是十分重要,并需要有大尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在,正是人们热烈争论中的焦点。

总之,若把星系看成宇宙物质的基本单元,那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。看来,直至50Mpc的尺度为止,星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙面貌的基本认识。

宇宙到底是什么结构,科学家至今没有搞清楚。一般解释大多是从物理学的角度来分析。

如果从化学的角度来分析,你会发现一个很有趣的现象,我们不仿从已有的知识拓展开来,变换一个

从微观上讲:我们知道,物质最基本的微粒是分子,而分子是由不同元素的原子结合而成,比如一个水分子是由2个氢原子和一个氧原子组成的。原子是由原子核和围绕原子核高速旋转的电子组成的,原子核是由质子和中子组成……,质子和中子可以再分成夸克。无数的分子组成到一起就是我们肉眼能看得见的物质。物质当中有生命的,我们叫它是生物组织……不管它的结构如何,都是由原子——分子组成的。一个生命体中(比如一个细胞)包含有许多不同的物质,这些物质的组成又包含不同的原子。自然界的千千万万种物质的结构都是这样的。

我们再从宏观上来看,太阳系是由发光发热的巨大的核反应堆和围绕太阳旋转的几大行星组成,太阳系中的行星,都是围着太阳旋转的,不难发现,这种结构与原子的结构何其相似!银河系的结构正像是我们了解的其它物质一样,如果我们以更大的视点来看它,说它是某个巨型物质的一个分子或是一个组织细胞不是也很确切吗?

于是我们大胆设想一下,宇宙可能是一个巨大的生命体,我们这个星球乃至太阳

人体中的一个组织细胞,从出生时候就已经决定了它所在的位置,比如一个肝细胞,如果以它自身的能量,想从肝脏移动到心脏,是不可能的,因为它绝没有这个本领,但是作为医生——人来说,想把身体中的某一个部分移动到另一个位置,排除生命体征本身,几乎是轻而易举的。因为肝细胞相对于人体来说,无论从质量、大小、能量等等都是无法比拟的,它只能待在它应该待的地方,如果从人对细胞的角度来说,那就相当于我们人类与几千万光年以外的地方相比,可望而不可及。

然而,至今我们无法知道宇宙有多大,科学家的解释或许是有道理的,他们说,宇宙还在不断地膨胀……这也许能证明宇宙这个巨大的生命体,正在少年时期,还在不断地成长发育。

与爱因斯坦的相对论并不矛盾,我们的星球相对于这个巨大的生命体来说,实在是太小了,小到可以认为是一个原子,太阳系也不过是这个生命体中的一个小小的细胞,因此,我们无论如何也不可能看到它的边缘,就象那个肝细胞永远不会“看”到我们皮肤之外的空间一样。

或许,这个巨大的生命体不只是个体一个,它只不过是众多生命体中的一员,更多的我们甚至都无法想像了。这就是我们的宇宙……从原子结构到分子构成再到物质结构给我们的启示。

那么,宇宙中的黑洞我们怎样来解释呢?假设,宇宙中的黑洞就像我们人体中的血管一样,试想,一个细胞或者一个极小的分子假如一旦落入了血管中,那会是怎样的情形呢?此时这个细胞或组织就根本无法左右自己了,对于它来讲,这个速度就像我们想像的光速一样是不可能达到的。

.跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产

质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

除星体的终结可能产生黑洞外,还有一种特殊的黑洞——量子黑洞。这种黑洞很特殊,其史瓦西半径很小很小,能达到十的负二十几次方米,比一个原子还要小。与平常的黑洞不同,它并不是由很大质量的星体塌缩而形成的,而是原子塌缩而成的,因此只有一种条件下才会创造量子黑洞——大爆炸。在宇宙创生初期,巨大的温度和压力将单个原子或原子团压缩成为许多量子黑洞。而这种黑洞几乎是不可能观测到或找到的,它只存在于理论中。

古代学说

把宇宙作为一个整体,探讨我们所居住的大地在其中所处的位置,即天和地的关系,叫宇宙结构理论。在中国古代,天体学说有所谓论天六家:即盖天、浑天、宣夜、昕天、穹天、安天。其中主要有三家:即盖天、浑天、宣夜。昕天基本上属于盖天体系,穹天是盖天说的翻版,安天则是宣夜的发展。

盖天说出现于殷末周初。主要观点为天在上,地在下,天为一个半球形的大罩子。南北朝时代鲜卑族歌手斛律金《敕勒歌》中“天似穹庐,笼盖四野”两句诗,是对盖天说的形象化说明。盖天说一共有两种。

第二种盖天说将方形大地改为拱表大地,即《晋书.天文志》中所说的“天象盖笠,

浑天说主张大地是个球形,外裹着一个球形的天穹,地球浮于天表内的水上。汉代天文学家张衡在《浑天仪图注》中说:“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于天内,天大而地小。天表里有水,天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载水而浮。天转如车毂之运也,周旋无端。其形浑浑,故曰浑天。”浑天说始于战国时期,战国人慎到、惠施都提出过关于球形大地的设想。关于球形大地如何悬在空中,最早的浑天说认为天球里盛满水,地球浮在水面。半边天在地上,半边天在地下。日月星辰附在天壳上,随天周日旋转。后来一些浑天论者纷纷反对地球浮于水面的说法。明代章潢《图书编·天地总论》中说:“《隋书》谓日入水中,妄也。水由地中行,不离乎地,地之四表皆天,安得有水? 谓水浮天载地,尤妄也。”

随着元气体论的发展,浑天说改为地球浮于气中,与气天相似。宋张载《正蒙.参两篇》中说“地在气中”。浑天说比起盖天说来,无疑要进步得多。浑天说与球面天文学的基本出发点完全一致,对于观测天文学来说,也能充分满足要求。但是,作为宇宙结构理论来说,浑天说则是不符合事实的

宣夜说认为“天”并没有一固定的天穹,而只不过是无边无涯的气体,日月星辰就在气体中飘浮游动。关于宣夜说的命名,清代邹伯奇说:“宣劳午夜, 斯为谈天家之宣夜乎?”宣夜说之得名,是因为观测星星常常闹到夜半不睡觉。宣夜说的历史渊源,可上溯到战国时代的庄子。《庄子·逍遥游》:“天之苍苍,其正色邪?其远而无所有至极邪?”用提问的方式表达了自己对宇宙无限的猜测。宣夜说自然观的基础是元气学说。战国时代宇宙无限的猜测。宣夜自然观的基础是元气学说。战国时代道有中的宋尹学派,把宇宙万事万物的本源归结为“气”。这气可以上为日月星辰,下为山川草木。在这方面,宣夜说有重大发展。三国时代的宣夜说学者杨泉在《物理论》中说:“夫天,元气也,皓然而已,无他物焉。“他还进一步论证说:“夫地有形而天无全。譬如灰焉,烟在上,灰在下也。”

宣夜说的进一步发展,还牵涉到天体的物理性质问题。据《列子·天瑞》篇记载,有位杞国人听说日月星辰是在天空飘浮的,便“忧天地崩坠,身无所寄,废寝食者。”这便是成语故事杞人忧天的由来。劝杞人的人,还提出了不但天空充满气体,连日月星辰也是气体,只不过是发光的气体。后来的宣夜说学者又进而提出地球会坏,天地也会坏,但是用不着担忧。就其宇宙结构理论来说,宣夜说确实达到了较高水平,它提出了一个朴素的无限宇宙观。但是,从观测天文学的角度来看,宣夜说却不如浑天说的价值大。浑天说能够近似地说明太阳和月亮的运行,宣夜说只能指出它们运行的不同,却没有探讨其运行的规律性。修订历法时,浑天说有很重要的实用意义,宣夜说却仅仅具有理论意义。但在人类认识宇宙的历史上,宣夜说无疑应有重要意义。 

2006年05月24日新浪科技讯 俄罗斯滚动新闻网5月23日消息,据《新科学家》杂志刊文称,两个不同的科研小组日前同时绘制出了迄今最为完整的三维宇宙图。

在这两张宇宙图的绘制过程中,科学家们都使用了“斯隆数字天空观测”(Sloan Digital Sky Survey)项目所获取的观测资料。不过,为了绘制出更为精确的三维图,科学家们需要知道图中每一 个天体与地球之间的距离。光谱分析法就是测量地球与遥远天体之间距离的方法之一。而要对图中 的所有星系都进行光谱分析当然是一

在研究宇宙间星系的分布情况时研究人员还得出结论称,在广袤的宇宙空间还存在着众多延伸开来 超过十亿光年的庞大天体结构。早些时候天文学家们对宇宙微波背景辐射的研究就已经得出类似的 结论。这一结果再次证明,宇宙绝大部分是由潜藏的物质和暗能量构成的,人们平时能观察到的普通物质只占宇宙物质总量的很小比例。 

宇宙未来

根据现代宇宙学中最有影响的大爆炸学说,我们的宇宙是大约150亿年前由一个非常小的点爆炸产生的,宇宙仍在膨胀。这一学说得到大量天文观测的证实。

这一学说认为,宇宙诞生初期,温度非常高,随着宇宙的膨胀,温度开始降低,中子、质子、电子产生了。此后,这些基本粒子就形成了各种元素,这些物质微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,这些团块又逐渐演化成星系、恒星、行星,在个别的天体上还出现了生命现象,能够认识宇宙的人类最终诞生了。

关于宇宙的结构和未来,这一学说认为,如果宇宙总质量大于某一临界质量,那么宇宙的结构是球形的,并且总有一天会在引力作用下收缩;如果宇宙总质量小于临界质量,那么宇宙的结构是马鞍形的,宇宙内部的引力无法抵消宇宙膨胀的速度而使宇宙一直膨胀下去;如果宇宙总质量恰好等于临界质量,那么宇宙的结构是平坦的,宇宙也将像这样一直膨胀下去。

宇宙的结构实际上是时间和空间的结构,普通人很难想像。不过科学家提出一个衡量宇宙结构的标准:如果两束平行光线越来越近,那么宇宙结构是球形的;如果两束平行光线越来越远,那么宇宙结构是马鞍型的;如果两束平行光线永远平行下去,那么宇宙结构则是平坦的。平坦宇宙的结构可以用欧几里德几何解释。

宇宙结构是平坦的这一结论是参加“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”的多国科学家得出的。这一项目的目的是研究宇宙背景辐射的详细情况。科学家在1998年底将一些射电天文望远镜放置在氦气球顶部,随氦气球上升到距地面约40公里的高空,在那里对特定宇宙区域进行了11天的观测,获得了迄今关于宇宙早期辐射最详实的数据。

经过研究,科学家发现,在大尺度上,宇宙最初发出的光线并没有发生弯曲现象,也就是说当初的两束平行光线一直保持平行状态,这说明宇宙结构是平坦的,也就是说宇宙总质量恰好等于临界质量,宇宙将像这样一直膨胀下去。

早在1965年,科学家就已探测到宇宙空间中均匀分布着的宇宙背景辐射,其温度为零下270摄氏度。大爆炸学说认为,这种辐射是宇宙大爆炸后的“余烬”。 从这些“余烬”中,科学家可以推测大爆炸初期的情景。1991年,美国宇宙背景探测卫星发现,宇宙背景辐射中存在着微小温度波动,如同在“余烬”中闪动着的微弱“火光”,这表明那时宇宙内已存在密度非常小的物质云团。正是这些云团逐渐收缩形成了后来的星系。“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”是在该卫星发现的基础上进行观测的。

此外,分别于1990年4月和1991年4月进入太空的“哈勃”天文望远镜和伽马射线探测器以及其他一些观测仪器也对宇宙的结构和演化进行了观测,取得了大量成果。这些成果较为一致地认为宇宙将一直膨胀下去。

人类对宇宙诞生和演化的观测研究刚刚起步,关于宇宙结构和未来的推测也仅仅是初步结论。未来几年,科学家计划发射两颗卫星更精确地观测宇宙早期辐射的情况,此外,科学家还将采取其他多种手段观测宇宙,宇宙诞生和结构之谜将被进一步揭开。

科学家最新发现一个神秘宇宙环结构,其直径达到50亿光年,是迄今发现最大的宇宙结构,它将帮助天文学家绘制遥远星系。 



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