宇宙是由什么組成的

宇宙是有限的還是無限的？有沒有中心，有沒有邊？有沒有生老病死，有沒有年齡？宇宙是由什么組成的？這些恐怕是自從有人類的活動以來就一直被關心的問題。

我們居住的地球是太陽系的一顆大行星。太陽系一共有八顆大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（注：2006年8月24日于捷克首都布拉格舉行的第26屆國際天文學聯合會大會上，位居太陽系九大行星末席70多年的冥王星，最終以237票贊成、157票反對、17票棄權的表決結果，被逐出太陽系九大行星之列。至此，傳統意義上的太陽系九大行星，變為八大行星）。除了大行星以外，還有60多顆衛星、為數眾多的小行星、難以計數的彗星和流星體等。它們都是離我們地球較近的，是人們了解得較多的天體。那么，除了這些以外，茫茫宇宙空間還有一些什么呢？

恒星和星云

晴夜，我們用肉眼可以看到許多閃閃發光的星星。它們絕大多數是恒星，由熾熱氣體組成的，是像太陽一樣本身能發光發熱的球狀或類球狀的天體。我們銀河系內就有1500億～2000億顆恒星。

恒星都是大質量、明亮的氣體星球。太陽是離地球最近的恒星，也是地球能量的來源。白天由于有太陽照耀，無法看到其他的恒星；只有在夜晚的時間，才能在天空中看見其他的恒星。恒星一生的大部分時間，都因為核心的核聚變而發光。核聚變所釋放出的能量，從內部傳輸到表面，然后輻射至外太空。幾乎所有比氫和氦更重的元素都是在恒星的核聚變過程中產生的。恒星天文學是研究恒星的科學。

天文學家經由觀測恒星的光譜、光度和在空間中的運動，可以測量恒星的質量、年齡、金屬量和許多其他的性質。恒星的總質量是決定恒星演化和最后命運的主要因素。其他特征，包括直徑、自轉、運動和溫度，都可以在演變的歷史中進行測量。描述許多恒星的溫度對光度關系的圖，也就是赫羅圖（HR圖，恒星光譜型和光度的關系圖），可以測量恒星的年齡和演化的階段。

恒星誕生于以氫為主，并且有氦和微量其他重元素的云氣坍縮。一旦核心有足夠的密度，有些氫就可以經由核聚變的過程穩定的轉換成氦。恒星內部多余的能量經過輻射和對流組合的攜帶作用傳輸出來；恒星內部的壓力則阻止了恒星在自身重力下的崩潰。一旦在核心的氫燃料耗盡，質量不少于0.5太陽質量的恒星，將膨脹成為紅巨星，在某些情況下更重的化學元素會在核心或包圍著核心的幾層燃燒。這樣的恒星將發展進入簡并狀態，部分被回收進入星際空間環境的物質，將使下一代恒星誕生時正元素的比例增加。

恒星并非平均分布在星系之中，它們常常愛好“群居”，有許多是“成雙成對”緊密地靠在一起，并按照一定的規律互相繞轉著，稱為雙星。還有一些是3顆、4顆或更多顆恒星聚在一起，稱為聚星。如果是10顆以上，甚至成千上萬顆恒星聚在一起，形成相互之間存在物理聯系（引力作用）的星群，便稱之為星團。銀河系里已發現了1000多個這樣的星團。

在恒星世界中有一些亮度會發生變化的星——變星，狹義上是指亮度有顯著起伏變化的恒星。一些恒星在光學波段的物理條件和光學波段以外的電磁輻射有變化，這種恒星現在也稱變星，如光譜變星、磁變星、紅外變星等。它們有的變化很有規律，有的沒有什么規律，現在已發現20000多顆變星。在變星中還有一些比較特殊的種類，比如有一些時候，遙望星空，你可能會驚奇地發現：在某一星區，出現了一顆從來沒有見過的明亮星星！然而僅僅過了幾個月甚至幾天，它又漸漸消失了。這種“奇特”的變星叫做新星或者超新星。

除了恒星之外，還有一種云霧似的天體，稱為星云。星云由極其稀薄的氣體和塵埃組成，形狀很不規則，如有名的獵戶座星云。星云包含了除行星和彗星外的幾乎所有延展型天體。它們的主要成分是氫，其次是氮，還含有一定比例的金屬元素和非金屬元素。近年來的研究還發現含有有機分子等物質。

在沒有恒星又沒有星云的廣闊的星際空間里，充滿著稀薄的星際氣體、星際塵埃、宇宙線和極其微弱的星際磁場。隨著科學技術的發展，人們必定可以發現越來越多的新天體。

銀河系及河外星系

隨著測距能力的逐步提高，人們逐漸在越來越大的尺度上，對宇宙的結構建立了立體的觀念。其中第一個重要的發展是認識了銀河。它包含兩重含義，一是了解了銀河的形狀，二是認識了河外天體的存在。

此外重要的是，并非天穹上一切發光體都是銀河系的一部分。對天穹上的某個光點，只有測定它的距離，才能區分它是銀河系內的恒星還是銀河系外的另一個星系。實際上，天穹上的大多數光點是銀河系的恒星，但也有相當大量的發光體是與銀河系類似的巨大恒星集團，歷史上曾被誤認為是星云，但如果用大望遠鏡看，就會發現，它們不是彌漫的氣體和塵埃，而是由可以分辨的一顆顆恒星組成的，形狀也像一個旋渦。它們是與銀河系類似的天體系統，距離都超出了銀河系的范圍，因此我們稱它們為河外星系。河外星系與銀河系一樣，也是由大量的恒星、星團、星云和星際物質組成。現在已知道存在100億個以上的星系，著名的仙女星系、大小麥哲倫星云就是肉眼可見的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙結構中的一個層次，從宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的層次。

關于河外星系的發現過程可以追溯到200多年前。法國天文學家查爾斯·梅西耶（1730—1817年）為星云編制的星表中，一個編號為M31的星云在天文學史上有著重要的地位。初冬的夜晚，熟悉星空的人可以在仙女座內用肉眼找到它——一個模糊的斑點，俗稱仙女座大星云。從1885年起，人們在仙女座大星云里陸陸續續地發現了許多新星，從而推斷出仙女座星云不是一團通常的、被動地反射光線的塵埃氣體云，而一定是由許許多多恒星構成的系統，而且恒星的數目一定極大，這樣才有可能在它們中間出現那么多的新星。如果假設這些新星最亮時候的亮度和在銀河系中找到的其他新星的亮度是一樣的，那么就可以大致推斷出仙女座大星云離我們十分遙遠，遠遠超出了我們已知的銀河系的范圍。由于用新星來測定的距離并不很可靠，因此也引起了爭議。直到1924年，美國天文學家哈勃用當時世界上最大的2.4米口徑的望遠鏡在仙女座大星云的邊緣找到了被稱為“量天尺”的造父變星，利用造父變星的光變周期和光度的對應關系才定出仙女座星云的準確距離，證明它確實是在銀河系之外，也像銀河系一樣，是一個巨大、獨立的恒星集團。因此，仙女星云應改稱為仙女星系。

而星系又可以細分成不同種類。目前的星系分類法是哈勃在1926年提出的，分為下列幾種。

橢圓星系：橢圓星系是河外星系的一種，呈圓球形或橢球形。中心區最亮，亮度向邊緣遞減，對距離較近的，用大型望遠鏡可以分辨出外圍的成員恒星。橢圓星系根據哈勃分類，按其橢率大小分為E0、E1、E2、E3、…、E7共8個次型，E0型是圓星系，E7是最扁的橢圓星系。同一類型的河外星系，質量差別很大，有巨型和矮型之分，其中以橢圓星系的質量差別最大。

漩渦星系：太陽系所處的銀河系是一個漩渦星系，主要由質量和年齡不盡相同的數以千億計的恒星和星際介質（氣體和塵埃）所組成。它們大都密集地分布在銀河系對稱平面附近，形成銀盤，其余部分則散布在銀盤上下近于球狀的銀暈里。恒星和星際介質在銀盤內也不是均勻分布的，而是更為密集地分布在由銀河中心伸出的幾個螺旋形旋臂內，呈條帶狀。一般分布在旋臂內的恒星，年輕而富金屬，并多與電離氫云之類的星際介質成協。而點綴在銀暈里的恒星則是年老而貧金屬的。其中最老的恒星年齡達150億年，有的恒星早已衰老并通過超新星爆發將內部所合成的含有重元素的碎塊連同灰燼一起降落到銀盤上。

透鏡星系：在橢圓星系中，比E7型更扁的并開始出現旋渦特征的星系，被稱為透鏡星系。透鏡星系是橢圓星系向旋渦星系或者橢圓星系向棒旋星系的過渡時的一種過渡型星系。

不規則星系：外形不規則，沒有明顯的核和旋臂，沒有盤狀對稱結構或者看不出有旋轉對稱性的星系，用字母Irr表示。在全天最亮星系中，不規則星系只占5%。 按星系分類法，不規則星系分為Irr I型和Irr II型兩類。 I型的是典型的不規則星系， 除具有上述的一般特征外，有的還有隱約可見不甚規則的棒狀結構。它們是矮星系，質量為太陽的1～10億倍，也有可高達100億倍太陽質量的。

從河外星系的發現，可以反觀我們的銀河系。它僅僅是一個普通的星系，是千億星系家族中的一員，是宇宙海洋中的一個小島，是無限宇宙中很小很小的一部分。

20世紀60年代以來，天文學家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現為一個光點的天體，但實際上它的光度、質量和星系一樣，我們稱它為類星體。現在已發現了數千個這種天體。

當我們把觀測的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系構成的“介質”，而恒星只是星系內部細致結構的表現。這樣，為了了解宇宙結構，需關心星系在空間的分布規律。

星系團

星系的空間分布不是無規則的孤立地分散在宇宙之中，它們也會聚集起來形成一個個集團。這些集團中存在著一種被自然數星系際介質的高溫氣體保衛，這些扭轉的質量相當于星系集團中所有星系質量的總和。科學家通過力學的方法對星系集團的質量進行測定，發現這些星系集團的質量遠遠大于星系和氣體質量的總和，這些多出質量的來源被稱為暗物質。這種由星系、氣體和大量的暗物質在引力的作用下聚集而形成的龐大的天體系統就是星系團。

星系團按形態大致可分為規則星系團和不規則星系團兩類。規則星系團以后發星系團為代表，大致具有球對稱的外形，有點像恒星世界中的球狀星團，所以又可以叫球狀星系團。規則星系團往往有一個星系高度密集的中心區，團內常常包含有幾千個成員星系，其中至少有1000個的絕對星等亮于-16等。規則星系團內的成員星系全部或幾乎全部都是橢圓星系或透鏡星系。近來發現這種星系團往往又是X射線源。

不規則星系團，又稱疏散星系團。它們結構松散，沒有一定的形狀，也沒有明顯的中央星系集中區，例如武仙星系團。它們的數目比規則星系團更多。大的不規則星系團的成員星系數多達2500個以上；小的只包含幾十個甚至更少的成員星系，銀河系所在的星系團就屬這一類。范圍比較大的不規則星系團可以有幾個凝聚中心，在團內形成一種次一級的成群結構。整個星系團就是這些較小群的松散集合體，又可稱為星云或超星系。不規則星系團總是各種類型星系的混合體，其中往往以暗星系占絕對優勢，這也是與規則星系團的不同之處。另外，就目前所知，只有少數不規則星系團發射X射線。

當然，在宇宙中大約只有10%星系屬于大星系團。大部分星系只結成十幾、幾十或上百個成員的小團。星系團代表了宇宙結構中比星系更大的一個層次。

大尺度結構

人們把10Mpc（兆秒差距）以上的結構稱為宇宙的大尺度結構（目前觀測到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的觀測事實遠不是十分明確的。

有跡象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫狀，即有許多看不到星系的“空洞”區，而星系聚集在空洞的壁上，呈纖維狀或片狀結構。這一層次的結構叫超星系團。它的典型尺度為幾十兆秒差距。

從演化理論來考慮，尺度大到一定程度，應不再有結構存在。這是否符合事實，以及這尺度有多大，都是十分重要，并需要有大尺度觀測才能回答的問題。現今對宇宙在50Mpc以上是否還有顯著的結構現象存在這個問題，是人們熱烈爭論中的焦點。若把星系看成宇宙物質的基本單元。那么，星系的分布狀況就是宇宙結構的表現。

上面只是我們對宇宙面貌的初步認識，對宇宙更深層次的了解需要科學技術的進一步發展。

黑洞與白洞

宇宙中存在著一種神秘而又恐怖的天體，傳說中它能吞噬一切，就連光也不能逃脫。它的名字就叫做“黑洞”。它的定義是：由一個只允許外部物質和輻射進入而不允許物質和輻射從中逃離的邊界即視界所規定的時空區域。

所以說黑洞是一種引力極強的天體，而它其實是由恒星演化而來。當一些恒星的半徑小到一定程度，即小于史瓦西半徑時（史瓦西半徑是任何具重力的質量之臨界半徑。在物理學和天文學中，尤其在萬有引力理論、廣義相對論中它是一個非常重要的概念），就連垂直表面發射的光都無法逃逸了。這時恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。

由于黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。

黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時，它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。于是對吸積黑洞光度和光譜的分析為黑洞的存在提供了強有力的證據。

再比如因恒星形成黑洞所造成的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有黑洞情況下的路徑不一樣。光在黑洞附近向內偏折，在日食時觀察遠處恒星發出的光線，也可以看到這種偏折現象。當該恒星向內坍塌時，其質量導致的時空扭曲變得很強，光線向內偏折得也更強。就這樣通過觀察光線的偏折也可以推測出黑洞的存在。

另外，黑洞并不是實實在在的星球，而是一個幾乎空空如也的天區。黑洞又是宇宙中物質密度最高的地方，地球如果變成黑洞，只有一顆黃豆那么大。原來，黑洞中的物質不是平均分布在這個天區的，而是集中在天區的中心。這些物質具有極強的引力，任何物體只能在這個中心外圍游弋。一旦不慎越過邊界，就會被強大的引力拽向中心，最終化為粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一個名副其實的太空魔王。

通過對黑洞的研究，科學家們又提出新的設想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞”。黑洞可以用強大的吸力把任何物體都吸進去，那么也許白洞可以把這些東西都吐出來。科學家們設想，黑洞與白洞是連在一起的，黑洞把物質吸進去，物質在里面會經過一個叫做奇異點的東西，然后物質就到達了白洞的“管轄范圍”，會被白洞“吐”出來。然后物質就到達了另一個宇宙（第一平行宇宙）。這種假設在理論上是成立的，但仍需要有相關數據與研究成果的支持。

以現在天文科學的發展水平，黑洞和白洞對人類來說仍充滿了不可解釋的謎團，我們仍無法知道黑洞的質量、大小、結構，以及白洞到底是否存在。但隨著科學技術的發展或許一切都會得到解答。

蟲洞

神秘黑洞的存在還尚有跡可尋，而黑洞還引帶出另一種存在于宇宙中神秘莫測的奇特現象——蟲洞。

蟲洞又稱愛因斯坦-羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是20世紀30年代由愛因斯坦及美籍以色列裔物理學家納森·羅森（1909—1995年）在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做瞬時間的空間轉移或者做時間旅行。但這個假設發展到現在，已出現以下三種看法。

一是空間中的隧道。它就像一個球，你要是沿球面走就遠了。但如果你走的是球里的一條直徑就近了，蟲洞就是直徑。

二是黑洞與白洞的聯系。黑洞可以產生一個入口，白洞則可以產生一個出口。宇宙是三維的，將黑洞與白洞的出入口看作第四維，那么蟲洞就是連接它們的第五維。

三是時間隧道。根據愛因斯坦學說，你可以進行時間旅行，但你只能看，就像看電影，卻無法改變發生的事情，因為時間是線性的，事件就是一個個珠子已經穿好，你無法改變珠子也無法調動順序。

其中最被接受的還是第二條。因為蟲洞的概念最初產生于對史瓦西解（又稱史瓦西幾何，是德國物理學家卡爾·史瓦西于1915年針對廣義相對論的核心方程——愛因斯坦方程——關于球狀物質分布的解）的研究中。自從在史瓦西解中發現了蟲洞，物理學家們就開始對蟲洞的性質發生了興趣。物理學家在分析白洞解的時候，通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗，發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么時空在史瓦西半徑，也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中，這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合，然后在那里產生一個洞。這個洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個彎曲的視界，就叫做史瓦西喉，它就是一種特定的蟲洞。

蟲洞連接黑洞和白洞，在黑洞與白洞之間傳送物質。在這里，蟲洞成為一個愛因斯坦—羅森橋，物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子，然后通過這個蟲洞（即愛因斯坦—羅森橋）被傳送到白洞并且被輻射出去。

基于以上的推論與研究，在20世紀50年代，已有科學家對“蟲洞”作過研究，由于當時條件所限，一些物理學家認為，僅僅在理論上也許可以使用“蟲洞”做時空穿越。然而事實上“蟲洞”的引力過大，會毀滅所有進入的東西，因此不可能用在宇宙航行上。

隨著科學技術的發展，新的研究發現，“蟲洞”的超強力場可以通過“負質量”來中和，達到穩定“蟲洞”能量場的作用。科學家認為，相對于產生能量的“正物質”, “反物質”也擁有“負質量”，可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣，“反物質”也曾被認為只存在于理論之中。不過，目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了“負質量”能存在于現實世界，并且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“反物質”。

據科學家猜測，宇宙中充斥著數以百萬計的“蟲洞”，但很少有直徑超過10萬千米的，而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負質量”的發現為利用“蟲洞”創造了新的契機，可以使用它去擴大和穩定細小的“蟲洞”。科學家指出，如果把“負質量”傳送到“蟲洞”中，把“蟲洞”打開，并強化它的結構，使其穩定，就可以使太空飛船通過。

總之，目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質了解還很少，它們還是神秘的東西，很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞，但白洞、蟲洞并未真正發現，還只是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。