宇宙中到底有多少星系?从2千亿到2万亿,是科学

时间:2019-08-20 13:21

科学,其美妙之处在于持续的探索与发现,发现新证据,改正旧判断,抛弃旧理论,有时候还会发现宇宙中不为人知的新面貌。


科学始终保持着自我怀疑的态度,致力于检验既有理论是否正确,专注于研究新兴观点能否更好解释观测结果与数据。


这是在说,我有时候提出一个已经得到科学验证的结论,你不能穿越时空,从几年后回来把新的正确答案扔在我脸上,说我错了。这不是我的错,只是科学一直在改变原有观点。


我现在才知道,大犬座VY不再是宇宙中已知的最大的恒星了。目前这一头衔应该属于盾牌座UY?即便如此,我还是确信在数年后再看,又会是另一个恒星。


我想说的是,科学在变化,数据也在更新,我们无需担心这些事情。变化是一件好事,所以现在我也丝毫不惊讶,对于可观测宇宙中的星系的预估数量需要更正。在之前,我们所知的星系数量大约是2000亿个。


图解:哈辛塔的研究对象是像这张哈勃望远镜拍摄的照片中展示的那些遥远的星系,她使用新的“叠加”技术来收集原本只能通过射电望远镜得到的信息。资料来源:NASA、STScI and ESA。


而之前发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文将星系数的预估数量从2000亿修正到20000亿,即扩大了10倍。2000亿我都要绞尽脑汁,思考这是怎样的数量级。但20000亿,对我来说真的太难理-解了。


这一修正有推翻之前对恒星数量的预估吗?事实上是没有。


可观测的宇宙大约是一个以138亿光年为直径的区域。我们能看到的最边缘是138亿年前那个区域留下的光。而宇宙的膨胀将这些区域带到460亿光年之外。


你能够理解吗?当前你看到的光有138亿光年的历史,但现在它的来源离我们460亿光年远。因为宇宙的膨胀使所有要到达地球的光子发出的光都被拉长了。


过去这些光可能是可见光或紫外线辐射,现在已经转变成红外线,甚至是在可观测宇宙边缘的微波。


天文学家知道可观测宇宙的体积,也能够计算出宇宙的密度,这样他们就知道整个宇宙的质量大约是3.4×10^54千克,这其中包括了普通物质和暗物质。同时他们还知道普通物质和暗物质的比例,这样他们就能计算出宇宙中普通物质的总质量。


过去,天文学家用普通物质的总质量除以他们在哈勃望远镜原始数据中所能看到的星系数量,并确定宇宙中大约有2000亿个星系。


而现在,天文学家使用一项新颖的技术来预估星系数量。他们使用哈勃太空望远镜观察天空中看似空无一物的部分,并确定了其中所有的星系。这就是哈勃超深场,下图是这里拍下的最令人惊奇的照片之一。


图解:哈勃超深场可见紫外线、可见光和红外光。图片来源: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)


天文学家们煞费苦心地将这张星系图像转换成能够展示星系大小和位置的三维地图。然后他们又利用自己对离地球更近的星系结构的了解,提出了一个更准确的估计----这个在我们的观测极限内,这些星系是什么样子的。


比如说,银河系周围环绕着大约50个卫星矮星系,每个星系都只有银河系的一小部分那么大。


通过识别哪些是较大的主星系,天文学家们可以得到哈勃图像中无法看到的小且昏暗的矮星系的分布情况。


换句话说,如果遥远的宇宙和邻近的宇宙有着相似的结构,而这是现代天文学的原则之一,那么遥远的星系和邻近的星系也有着相同的结构。


这并不能说明宇宙比我们想象的要大,也不代表有更多的恒星,这只是证明宇宙包含更多的星系,只是这部分星系中的恒星较少。有大的主星系,然后是越来越小的星系,直到矮星系,这是一个平滑的分布曲线。恒星的总数并无变化。


图解:天炉座矮星系,它是银河系伴随卫星星系之一。图片来源: ESO


我们能看到的星系只是冰山一角。我们每看到一个星系,它周围都有9个更小更暗的星系无法看到。


当然,我们还需要一些时间才能看到这些更暗的星系。2018年10月,美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜发射升空时,携带了一个收集面面积为25平方米的反射镜,对比哈勃望远镜的4.5平方米要大得多。


此外,詹姆斯·韦伯是一架红外望远镜,是专门用来观察更冷的物体和数十亿光年之外的星系的工具。它能看到哈勃无法看清的昏暗星系。


那么,为什么我们不能用自己的眼睛看到四面八方的星系呢?实际上这是一个由威廉·奥尔伯斯在1700年提出的古老难题,又叫奥尔伯悖论。我们曾经写了一整篇文章来描述这个问题,其主要观点是,无论你朝任何方向看,你最终都只能看到一颗恒星。它可能很近,像太阳一样,也可能很远,但不管怎样,它应该是所有方向的恒星。这意味着整个夜空应该像恒星的表面一样明亮。事实显然不是这样,但为什么呢?


事实上,就算有2万亿星系,你还是可以援引这个悖论,说在每个方向上,你都应该看到一个星系,但那不是你能够看到的。


图解:这是斯隆数字巡天项目中的部分星系分布图,距离跨度为70亿光年。我们今天所观察到的星系集群的数量标志着引力在宇宙时间内产生的作用,这使得我们可以在这些尺度上检验广义相对论是否成立。 (M. Blanton, SDSS)


除了你所在的星系之外,你无论往哪个方向看,都能看到星系。只是这些星系从可见光谱红移到红外光谱,所以你的眼球无法感知它们。但它们的确存在。


如果我们能看到微波,那么天空确实是一片光亮。这是因为宇宙微波背景辐射在所有的星系背后闪耀。


事实证明,宇宙中星系的数量是之前估计的10倍——2万亿星系。但是恒星的数量以及宇宙的质量保持不变。


在科学家们得到詹姆斯•韦伯望远镜的观测结果后,这些数字将再次微调,变得更加精确。1.5万亿?3.4万亿?准备好看更准确的数量吧。


参考资料


1.WJ百科全书


2.天文学名词


3. Maurice- universetoday


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