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第41章 宇宙的大尺度结构

我国古人将宇宙看做是空间与时间的结合体,这一理念同爱因斯坦的四维时空(长、宽、高、时)的观念是一致的,但时间上比后者要早2000多年。这两种观念都认为空间不是空的,而是充满着物质,而时空的性质决定于物质的质量。这些前面已叙述了,现在,我们的视线早已离开了太阳系,开始深入到星系与星际的空间。我们该看看宇宙的大尺度结构了。

由近及远来说,从地球开始,更大的时空范围是太阳系(其他的恒星也有类似于太阳系的行星、卫星等)。而全天的恒星组成了一个恒星城,称作银河系,它包含有恒星、双星、聚星、星团、星云、星际尘埃、宇宙线,以及延伸的星际磁场等。银河系主体的直径约为10万光年。同银河系一样的天体系统,统称为“星系”。现在已观测到的星系差不多有1011个(1000亿个)。星系的尺度范围为14×106光年,相邻星系间的平均距离为3×106光年。可知星系间的距离比恒星间的距离要近得多。两个星系很容易相碰撞,而两颗恒星则很难有相碰的机会。

星系单独存在的情况并不多见,而多数星系都喜欢“群居”,组成双重星系、多重星系、星系群和星系团,它们之间靠万有引力在维系着。

着名的大麦哲伦星云与小麦哲伦星云就是一个双重星系。而大麦哲伦星云、小麦哲伦星云和银河系又组成三重星系。1975年,人们发现了离银河系只有5.5万光年的比邻星系。因此,银河系、大小麦哲伦星云与比邻星系实际上是一个四重星系。仙女座的大星云(M31)与附近的M32和NGC205也组成一个三重星系。

银河系附近的40多个星系,组成为“本星系群”。本星系群的半径约为100万秒差距,其总质量为6.5×1011太阳质量。

再远些,离我们最近的是玉夫座星系群、大熊座星系群和天炉座星系群,其中含有的星系数为6~16个不等。

由100个到上千个星系组成的更大星系集团,称为“星系团”。离我们较近的不规则星系团是室女座星系团;离我们较近的规则星系团是后发座星系团,包含的星系总数可能多达1万个。

然而,像这样范围较大且星系众多的星系团为数不多。平均说来,各星系团内的成员星系数约为130个,观测到的星系团总数超过1万个。

若干星系团还可进一步聚集组成“超星系团”。我们银河系所在的称为“本超星系团”,由本星系群、室女座星系团、后发座星系团、大熊座星系团及其他约50个较小的星系群或星系团组成。本超星系团为直径约108光年的扁平状天体系统,总质量约为1015太阳质量。室女座星系团可能是本超星系团的核心部分,而本星系群则位于本超星系团的边缘附近。

在本超星系团之外,还有其他的超星系团,超星系团一般含有5~10个星系团,已发现的50个超星系团中,最大的一个拥有29个星系团。

宇宙物质的结构,由太阳系、银河系、星系群、星系团至超星系团,像阶梯似的一级一级地扩大,那么,能不能再扩大下去呢?问题相当复杂。因为这么庞大的星系集团,很难证明星系之间会有引力联系。很可能是一些星系偶然地互相接近,而不是构成更高一级的天体系统。

值得注意的是星系的空间分布,近年来的观测表明,星系有点像蜂窝形(一说为泡沫形)。中间是空的(也叫“宇宙巨洞”),星系沿棱分布,在两个棱交会处,星系更加密集。沿棱边的长条形分布,也叫做“星系长城”,比如1992年美国天文学家观测到有一条长5亿光年、宽2亿光年、厚1500万光年,其中包含有4000多个星系,其密度是平均星系密度的5倍。超星系团的存在表明,宇宙的物质分布在109光年的数量级范围内是不均匀的;但在更大尺度的空间里,星系的分布却呈现出均匀性和各向同性。

各向同性是指对任何方向观测,在天球上任一块同样大小的面积内,总可以找到同样多的星系,这就叫做各向同性,即指宇宙不存在方向上的差别。

爱因斯坦在研究宇宙学时,就早已谈到了这一点。他指出:在宇宙的尺度(大于3亿光年)上,任一时刻,宇宙物质的分布是均匀的和各向同性的,这被称为“宇宙学原理”的重要理论。

这个原理已被不少观测所证实。

这个原理的含义是:

1.在宇宙尺度上,空间任一点和任一方向,在物理量上是不可分辨的,即无论其密度、压强、曲率、位移都是相同的。但在同一点,在不同时刻,其各种物理量可以不同。所以这个原理允许宇宙有一定的演化。

2.宇宙中各处的观测者观测到的物理量和物理规律都是一样的,也就是地球的物理规律在其他星球上也一样,这才有了“共同语言”,有了共同的宇宙时标。否则,就不好去讨论别的星球上的物理情况了。简单的比喻是,地球上的人是吃米饭、蔬菜的,你就不能说,别的行星上的“人”(外星人)是吃石头、沙土的,这是很荒谬的。离开了宇宙学原理,就不能讨论宇宙间的生物与人的问题了。所以,我们认为地球上所看到的宇宙演化图景,在别的星球上也可以看到。

宇宙学原理是人们探讨宇宙演化的基础。如果将其中的“任何时刻”改为“一切时刻”或“所有时刻”,那就叫做“完全的宇宙学原理”。这个原理得出的宇宙是不演化的、静止的宇宙,现在绝大多数科学家拒绝接受这个原理。

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