[宇宙的奇迹]我们在宇宙中的位置

布赖恩·考克斯教授回来了。有了这本书《宇宙的奇迹》，他将带领我们穿越时空，踏上一段充满真知灼见和激动人心的旅程:你将见证137亿年前，930亿光年宽，1000亿个星系是分散的，每个星系包含数十亿、数万亿颗难以想象的巨星。

考克斯教授毕生致力于理解我们的宇宙。关于我们自己和我们生活的世界，我们有许多深刻的问题需要回答。在这本书里，他决心以一种特殊的、易于理解的方式找到这些问题的答案。

这本书由科学松鼠会的两个成员谢尔登和斯蒂芬·叶联合翻译。以下内容选自本书第一章。

宇宙的规模如此之大，以至于人们几乎不可能理解，而我们在这个叫做“地球”的小岩石星球上所能做的就是认识到这一点。在发现头顶的星空重复了一个巨大的周期后，我们逐渐意识到我们是一个巨大系统的一部分，这个系统比太阳系和包含2000亿颗恒星的银河系大得多。

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我们的星系邻居，我们的小岩石行星，就像是探索邻近星系的看台。太阳是离我们最近的恒星，距离我们有1.5亿公里。当夜幕降临，星星消失在地平线下时，一千万颗星星出现在夜空中。在地球最黑暗的地方，我们可以用肉眼看到近10，000颗恒星，它们都是我们赖以生存的银河系的一部分。

星系是由大量恒星、气体和尘埃形成的引力束缚系统。数万亿颗恒星在这里诞生和死亡，以巨大的规模展示了宇宙万物的生活史。科学家认为哈勃体积中大约有1000亿个星系，每个都有数亿颗恒星。最小的星系，矮星系，只有大约1000万颗恒星。最大的巨型椭圆星系可能有100万亿颗恒星。人们普遍认为星系包含的物质比我们用望远镜看到的要多得多。人们相信星系周围有巨大的暗物质晕。这是一种新型物质，不同于地球上的任何物质，它与普通物质的相互作用非常微弱。虽然我们不能直接观察暗物质，但它的引力效应直接决定了我们观察到的星系的形状，而且它也有可能在宇宙形成初期主导星系的形成。目前，我们认为像银河系这样的星系质量的95%是由暗物质组成的。从某种意义上说，那些明亮的恒星、行星、气体和尘埃都起着辅助作用，尽管有些人会理所当然地认为这个想法相当无聊，因为暗物质几乎不可能形成复杂而美丽的结构，比如恒星、行星和人类。无论如何，探索暗物质的本质是新世纪物理学中最大的挑战之一。在接下来的章节中，我们将再次讨论这个有趣的问题。

英语单词galaxy来自希腊语单词galaxy，意思是“乳白色的环”。虽然古希腊人对银河系的实际大小一无所知，但它最先被用来描述占据了我们一半以上夜空的银河系。观看我们银河系的中心在夜空中慢慢升起是大自然最大的奇迹之一。不幸的是，城市的灯光已经让这场华丽的夜晚表演从我们的日常生活中消失了。对许多人来说，起初它看起来像一朵从地平线升起的乌云。然而，随着地球的夜表面逐渐转向我们星系的中心，这个朦胧的光带逐渐显示出它的本来面目。它最初是由分布在银河系中心周围数千光年的数亿颗恒星形成的云。希腊神话将这种空灵的光解释为宙斯妻子赫拉的乳汁溅出，在夜空中形成一条微弱的光带，这也是今天英语中“银河”一词的起源。这个英语单词不是科学家创造的，而是来自中世纪诗人乔叟的笔头:“看看那边的星星，人们称它为银河系，因为它是白色的。”

[M87，也被称为处女座A，是梅西尔星表中的第87个天体。M87位于室女座星系团中，这是一个离地球5400万光年的巨大椭圆星系。在这张照片中，我们可以看到由星系核心中的巨大黑洞产生的热气阀门。】

[·兹维奇18号有许多明亮的年轻恒星。根据这些恒星的预期寿命，这个星系只有5亿年历史，因此它曾被认为是最年轻的星系。然而，科学家最近使用哈勃太空望远镜进行的观察显示，兹韦契18实际上有许多古老的恒星。现在这个星系被认为和其他星系年龄差不多，但是仍然有许多新的恒星诞生。】

[M33，三角星系或风车星系，是本地星系团中的第三大星系，仅次于银河系和仙女座星系。有些人认为它是仙女座星系的伴星系。】

[:这张照片拍摄于2010年12月，是迄今为止仙女座星系(M31)最清晰的照片。仙女座星系是离我们最近也是最大的螺旋星系。在这张照片中，我们可以看到正在形成的恒星形成了星系环。】

[这张M51星系的照片生动地反映了它的另一个名字——漩涡星系。它的旋臂一目了然。粉色部分是恒星诞生的区域，蓝色部分是由恒星组成的星团。】

画一张我们银河系的地图。我们的银河系大约有2000亿到4000亿颗恒星，这取决于有多少颗暗矮星难以观测。大多数恒星分布在直径约10万光年、厚度约1000光年的银盘中。这种巨大的空间距离很难用图像来描述。100，000光年意味着光以每秒300，000公里的速度传播，需要100，000年才能穿过银河系。我们也可以尝试另一种表达方式:从太阳到最外层太阳系的海王星大约需要4个小时，也就是1/6光年。你必须将2.2亿个太阳系首尾相连，从银河系的一端连接到另一端。

在我们银河系的中心(简称银心)，也许在宇宙中所有星系的中心，有一个超大质量黑洞。天文学家通过精确测量一颗名叫S2的恒星的轨道得出了这个推论。这颗恒星围绕着射手座A*旋转，射手座A *是银心的一个强辐射源。S2的公转周期只有15年，其轨道速度高达光速的2%,是已知天体中最高的。如果我们确切知道天体的轨道，我们就能计算出它周围行星的质量。通过仔细观察S2的轨道，天文学家计算出人马座A*的质量高得惊人，相当于410万个太阳质量的总和。由于S2距离射手座A*只有17光年，射手座A*必须小于这个距离，否则S2会撞上它。要在如此小的空间中容纳如此巨大的质量，只有黑洞才能做到，这就是为什么天文学家们确信在银心中有一个巨大的黑洞。最近，天文学家通过研究人马座A *[附近的另外27颗恒星，进一步证实并完善了这一结论。银心是天体活动的熔炉。除了S星座之外，还有各种相互影响的天体系统。例如，拱形星团是银河系中密度最高的星团。这个星团由大约150颗年轻炽热的恒星组成，其中任何一颗都可以使我们的太阳变得矮小。这些恒星非常明亮，所以它们的寿命也很短。它们可以在大约几百万年内耗尽储存的氢气。五角星团也在银河系中心附近，有一些银河系中最亮的恒星，比如手枪星云，这是一颗年老的恒星，随时可能演化成超新星。我们银河系中最拥挤的地方是在这些星团的中心区域。如果我们把目光从银核转向外围，随着距离的增加，恒星会变得越来越稀少，最后我们会到达银河系外围的稀薄气体带——银晕。

2007年，科学家们使用智利建造的超大型望远镜(VLT)成功地观测到银晕中的一颗恒星HE 1520901。这可能是银河系中最古老的天体。他1520901是一颗红巨星，在他恒星生涯的黄昏。它的体积比我们的太阳大得多，但是它的表面温度低得多。正如考古学家使用一些碳同位素来确定化石的年龄一样，天文学家可以通过观察HE 1520901中放射性元素——铀、钍、铕、锇和铱——的含量来准确推断其年龄。每一种放射性元素都像时钟一样测量时间，所以当我们能同时观察到许多元素的含量时，放射性测年法就成了一种极其准确可靠的测年方法。从这个观点出发，我们可以很容易地理解为什么天文学家对确定HE 1520901的化学成分非常感兴趣。经过仔细的测量和计算，这颗恒星有132亿年了——几乎和宇宙一样古老。这些放射性元素是宇宙中第一代恒星的遗产，它们在宇宙诞生后的5亿年内以超新星爆炸结束了生命(见第二章)。

从太阳到太阳系最外层的海王星，大约需要4个小时，距离是1/6光年。你必须将2.2亿个太阳系首尾相连，从银河系的一端连接到另一端。

[:艺术家想象拱门群。这个星团由年轻的恒星组成，是银河系中人口最密集的地方之一。】

[像拱形星团一样，五原子星团也位于银核附近。】

[照片*的亮白色恒星是手枪星云，它是银河系中最亮的恒星之一。】

银河系的形状我们的银河系不仅巨大而且历史悠久，而且结构非常精巧。作为一个杆状的螺旋星系，银河系有一个被气体圆盘包围的杆状核心和几个由尘埃、气体和恒星组成的旋臂。直到最近，科学家们还认为银河系只有四个旋臂——飞马臂、尺子臂、盾形半人马臂和底部半人马臂，而太阳位于旋臂的一个分支——猎户座射电分支。最近，人们发现，方臂还延伸出一个独立的环，即外缘螺旋臂。

太阳，我们最熟悉的恒星，就在猎户座的射电分支内。太阳曾经被认为只是银河系中一颗中等亮度的恒星，但现在我们知道它实际上比银河系中95%的恒星都要亮。太阳处于主序列恒星的阶段。这一阶段的恒星通过氢氦融合产生能量，从而发出我们能看到的光。对于太阳来说，它每秒通过聚变反应将6亿吨氢转化为5.96亿吨氦，而剩余的400万吨氢被转化为能量并缓慢扩散到太阳的光球层，然后以光的形式扩散到银河系和宇宙深处。