浩瀚的宇宙

浩瀚的宇宙
人类很早就开始思考宇宙，但一直以来人们都把地球当成是宇宙的中心。然而天文学家的职责是要讲述另一回事。事实上，地球在宇宙中的地位要比人们想象的还要低下得多：它只不过是一颗行星，只是围绕着一颗称为“太阳”的普通恒星运行的九大行星之中的一颗。



连同其它已被认识的行星系统，太阳带着它的行星家族与其它两千多亿颗恒星一同位于一个被称为星系或恒星系的恒星集团中，我们称这个星系为银河系。银河系又连带附近的约三十个星系一起构成一个星系团，称为“本星系（群）”。本星系附近还有几十个类似的星系集团，这些星系团的中心又有一个由两千五百多个星系聚集在一起组成的巨大星系集团——室女星系团。上述所有这些星系团又进一步组成了一个更为巨大的星系系统——本超星系团。而在可观测的宇宙中，有数百个这样的超星系团。
这是距离我们最近的恒星：太阳。它只是银河系约两千亿颗恒星中极为普通的一颗

银河系。因为我们身处银盘之中，所以只能从侧面看它

这是本星系群成员仙女座大星系M31和它的两个卫星系的照片。它是离我们最近的河外星系

这是一个小型星系团，称为HCG87。它们受到彼此引力的相互作用(HST)

仙女座大星系M31的椭圆卫星系NGC205和M32，它们都是本星系群的成员

离地球约一百三十亿光年的星系群。引力透镜现象使躲在前方星系背后的星系图像被显现出来(HST)


宇宙的起源和演化
当理论物理学家爱因斯坦一九一五年在创新立他的广义相对论的时候，就已经认识到，他的学说将会导致一个震撼人心的预言：宇宙在膨胀。在那时，大多数天文学家都认为宇宙一直是那样的，它不会随时间改变的。一个膨胀着的宇宙意味着一件事：宇宙必然有一个开端。那就势必会引出一个问题：在宇宙开端之前有物质存在吗？在广义相对论提出之前两年，美国天文学家斯莱弗就已经通过测量几个旋涡星系（那时候还叫“星云”）的红移得出了一个结论，即这些星系都在退行。一九二四年，美国天文学家哈勃观测了仙女座大星系和其他一些旋涡星系，并测定了它们的红移。结果发现，这些四面八方的星系都在远离我们而去，星系离得越远，退行的速度就越快。星系距离与退行速度之间的关系就是“哈勃定律”。由此定律得出的星系退行率就是“哈勃常数”，即宇宙膨胀的速率。人们根据新获得的观测结果不断地修正着哈勃常数。
事实上，没有理由可以让我们认为银河系是宇宙中的一个静止不动的星系。因为无论观测者处在哪一个星系中观测，都会得出相同的结论——其它所有的星系都在远离而去。根据爱因斯坦的理论，膨胀宇宙中的星系本身并不运动，而是星系间的空间在膨胀。如果的确是这样的话，那么在过去的某个时刻，宇宙就应该是一个处于极端高密状态的点。据此还可以推算出宇宙的年龄。根据目前的估计，宇宙的年龄约为一百二十亿至一百五十亿年间。
引力对宇宙的未来有深远的影响。如果宇宙中没有足够多的物质，它将从逐渐增长的速度永远膨胀下去，这样的宇宙被称为“开放宇宙”；如果质量过大，引力最终将阻止其膨胀，使宇宙又收缩而形成一次大“坍缩”，这就是“闭合宇宙”。如果质量大小正好合适，宇宙也将永远继续膨胀下去，但速度要慢一些。这种情况下，宇宙是平坦的，处于开放和闭合之间的平衡状态。

处于演化的不同时期的椭圆星系和旋涡星系(HST)

数十亿年前的星系群图像，很多旋涡星系因宇宙形成初期星系过于密集而失去了原有的外观(HST)

来自一百亿光年外星系的超新星1999ff的爆发为科学家们寻找宇宙演化的证据提供了帮助(HST)

哈勃太空望远镜记录了一次宇宙中的伽玛射线大爆发，箭头所指为产生爆发的星系(HST)

哈勃太空望远镜在伽玛射线大爆发之后一个月拍摄到一个神秘“火球”，科学家们对此深感困惑(HST)

这是伽玛射线爆发星系的光学图片，由哈勃太空望远镜拍摄(HST)


宇宙大爆炸
从宇宙的膨胀可以得出一个结论，即宇宙起源于一次时间、空间、物质和能量的大爆炸。宇宙膨胀的方式有两种不同的可能性：一种是一切物质从一个公共的起点出发向外运动，即发生了大爆炸；另一种则是在空间膨胀过程中不断有新物质在星系空间产生。后一种即稳恒态理论所持的观点。假如大爆炸的确发生过，那么我们应该能够找到一些与之有关的证据。大爆炸宇宙学认为，随原始火球的膨胀和冷却，其余辉会充满整个宇宙，并以绝对温度3K的微小辐射形式表现出来。在3K的温度下，所有分子都将停止运动。这一微波背景辐射证据在一九六五年已被找到。该学说的另一个预言是：在质子、中子和电子从原始火球中凝聚出来时，每产生三个氢原子，就必然同时产生一个氦原子。近来对宇宙中元素相对丰度的测量显示宇宙中氢原子和氦原子的比较确实是三比一。宇宙大爆炸学说的其他一些观点在最近也都先后得到了证实。
然而问题并没有最终解决，无论根据今天的哪一种学说，都要求物质从一无所有之中产生，这真是太不可想象了。迄今为止这仍然是一个使天体物理学家深感困惑的问题。