一、走近宇宙

1．宇宙到底有多大

宇宙到底有多大？讓我們以人類熟悉的概念來形容一下。飛行最快的一種噴氣式戰斗機，其速度幾近每秒1千米（大約為966米），幾乎是音速的3倍。然而，即使以這種速度，想要到達除太陽之外距地球最近的星座半人馬座（比鄰星），也要花費一百萬年！如果把這段距離的大小看作我們早餐中一粒薄薄的麥片，那么距離我們已知的最遠的星系就相當于在地球的另一端！面對如此浩瀚的宇宙，天文學家宣稱知道很多關于宇宙及其結構的秘密似乎是難以置信的。不過，現代探索家在研究神秘莫測的宇宙時已經擁有了許多可以幫助他們的工具。所以，我們在20世紀所取得的宇宙科學與技術方面的進步，比此前歷史中所獲得的總和還要多。本書將告訴你宇宙從何而來，以及將如何發展和如何結束。首先，讓我們來了解宇宙中到底有些什么，以及天文學家是如何知道他們所宣稱的這些宇宙的秘密的。

在我們生活的地球周圍，包圍著許許多多各種各樣的宇宙物質：行星、彗星、恒星、星系、星云、氣體以及塵埃等。在晴朗的夜晚，你可以看見約幾千顆恒星、一兩顆行星，還有一些模糊的塊狀物星系，其中一個是叫作“仙女座”的星系。這個星系是人類無需借助天文觀測設備就能看到的最遠也是最大的星系。仙女座距離我們大約有290萬光年，其直徑有10萬光年。在宇宙中，仙女座已經可以算是我們的“近鄰”。因為天文學家衡量距離經常使用的單位是數億光年。現在讓我們一起出發，去看看宇宙深處都有些什么。首先從距離我們最近的星體——行星開始。

2．行星和恒星的容顏

（1）行星的容顏

在1800年以前，人類所知道的行星只有太陽系九大行星中的六個。但是現在，天文學家已經明白行星是很普遍的，在宇宙中幾乎到處存在。行星分為兩類：體積小的叫作“類地行星”，它們幾乎全都由巖石和金屬構成，表面非常粗糙，可能存在于大氣層。水星、火星、地球、金星都是屬于這一類的。其他的行星如木星、土星、海王星、天王星以及迄今為止發現的所有圍繞其他恒星的行星體積都數倍于類地行星，被稱為“氣巨星”。氣巨星并不是由氣體構成的，而是由氫、氦構成的，這兩種元素在地球上通常呈氣態。然而在氣巨星內，它們卻是以液態存在的。所以氣巨星是可以旋轉的液體星球。這些行星上存在著混合的大氣，或許也有一個固態的核。

（2）恒星的容顏

大部分的行星都是圍繞恒星運行的，就像地球圍繞著太陽旋轉一樣。即使使用最先進的望遠鏡，我們所能觀察到的恒星看上去都不會比大頭針的針尖大。

事實上，恒星是直徑數十萬千米的巨大、灼熱的氣態球體。它們的形狀與色彩各異，有的甚至是成對出現且互為中心旋轉，這樣的恒星叫“雙星”。在恒星中最普通、最小、等級最低的就是“紅矮星”。紅矮星的體積一般為太陽的一半，表面溫度高達4000℃（7000°F）。類太陽恒星的溫度則較高，呈現黃色，體積更大，不太常見。最高等級的恒星是發出耀眼光芒、比太陽大數十倍的藍巨星。這種恒星非常稀少，并且其溫度可高達50000℃（90000°F）。但是，所有這些恒星終其一生都以同樣的方式燃燒。當恒星變老后，會發生一些劇烈變化。以太陽為例，當太陽開始死亡時，會先成為一個龐然大物——紅巨星，比一般的恒星大幾百倍。之后，紅巨星開始收縮，形成一個比一般恒星小100倍的白矮星。

3．什么是“星團”

（1）大小星團

正如恒星在引力作用下會形成更大的星系一樣，星系也會在引力作用下聚合成巨大的星團。最大的星團如處女座星團，是由成千上萬獨立的星系構成的，其范圍大約有2000萬光年。但是一些小的星團如銀河系、處女座所在的本星系團，則容納了大約30個的小型星系，其范圍約在500萬光年。一般來說，和星系一樣，容量最大的星系星團有不同的類型，當星團中心是龐大的星系時，其形狀一般為橢圓狀。星團的中心非常擁擠，星系之間距離很小，比恒星要擁擠得多。但是在離星團核心比較遠的地方，該密度開始降低，星系變得比較小、不規則，且包含的恒星越來越少、占據的空間越來越大。

（2）龐大的超星團

星系星團并不是已知最大的結構。和星系聚合一樣，星團也會形成龐大的超星團。從規模最大的層面來講，宇宙就像一個“泡沫”狀的結構，那些巨大的星團和超星團就是形成“泡沫”中一個個“氣泡”的絲狀物。在“氣泡”里面是接近“真空”的巨大空間，其直徑可能有1.5億至2億光年。幾乎宇宙中所有的可見物質都被封鎖在這個巨大的“氣泡”里面。

除了這些成千上萬的星系，宇宙的大部分地區看上去空曠得令人難以置信。而事實上，還有一個物體比超星系大，那就是宇宙本身。浩瀚的宇宙與最大的小行星相比就像小行星與被叫作“夸克”的最小亞原子結構相比。

4．“光度學”和“光譜學”的用途

（1）“光度學”的用途

天文學中最基本的行為就是觀察一個物體的亮度隨時間變化的過程。這種科學被稱為“光度學”，字面含義就是“測量光”。比如，測量一個在宇宙中旋轉的小行星，小行星都是由金屬或巖石構成的不規則物體，一個紡錘狀的小行星從側面看要比從兩端看更明亮，因為從側面看的部分更多。因此，通過觀察一個小行星亮度的周期變化，天文學家就可以知道它的旋轉速度，并了解它的形狀。

現在，想象一個在一定周期內亮度有微弱變化的天體，這可能表明在這個恒星周圍有行星在旋轉，因為當行星旋轉通過恒星前方時，會使恒星亮度減弱。兩顆恒星可能會互相旋轉，或者一顆恒星表面會有一些斑點，當恒星自轉時，它的亮度取決于在觀察時的暗區有多少。

這些小的光度變化可用于推斷行星、恒星斑點和其他恒星的存在。

（2）“光譜學”的應用

光度學的用途十分廣泛，其中一項很有用的技術就是“光譜學”。當光線在通過一系列狹小的裂口時，會被分切成一個光譜。這個光譜由黑色的“光譜線”劃分開。這些“線”的存在是因為形成光源的原子吸收了固定波長的光，形成了特定的色彩。一種元素所吸收的光有其固定的波段，比如某段特定的光譜線僅表現出在某恒星上含有氦，而另一段則表示有其他元素的存在。光譜中的不同位置分別反映不同的物質。這種方式讓天文學家能夠研究出他們所觀察的物質中有什么氣體存在。而且，每個原子光譜線的波段和強度是隨其物理特性而變化的，所以，波譜學不僅能反映出物質的構成，還能反映出其熱度和密度。