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可觀測宇宙有多大,多少顆星球可以殖民?

2024-07-14科學

可觀測宇宙 指能被人類使用射電望遠鏡觀測到的宇宙部份,後文簡稱為宇宙,其是一個直徑達930億光年的球體,所以又稱哈伯球。 一光年約9.46萬億千米, 也就是宇宙的直徑大約是1億億億千米。 其中包含著大約2萬億個星系,估計可能多達數億億億顆恒星,以及數量更多的行星

雖然德雷克方程式下,適宜人類居住的星球所需要的條件極為苛刻,卻依舊能夠 估算超過1萬億億顆行星和地球環境及其近似,適合人類殖民開發

一、我們的宇宙究竟有多大?

按照宇宙中光速最快的理論,理論上宇宙已經誕生138億年。如果可觀測宇宙一年膨脹一光年,可觀測宇宙的半徑應該是138億光年,為什麽科學家們會計算成465億光年呢?

事情要從上個世紀30年代說起,天文學家哈伯發現眾多遙遠星系都在相對於地球 退行 。也就是說其他星系離我們的銀河系越來越遠,他稱之為紅移。而且星系之間的距離越遠,退行遠離的速度越快,這表明宇宙正在膨脹。下面的照片就是偉大的哈伯和他的望遠鏡在一起。

哈伯進一步得出了遙遠星系退行的速度(v)和星系之間的距離(d)是一個線性的比例,得到一個 哈伯常數 的概念。 現在測得哈伯常數的值約為: 70(km / s)/ Mpc。pc表示秒差距,M表示百萬,秒差距和光年一樣都是距離單位,一秒差距等於3.26光年。H= 70(km / s)/ Mpc,這個式子表示相距100萬秒差距的星系每秒退行遠離的距離約70千米。換言之,假設有一個星系距離銀河系約100萬秒差距或326萬光年,那麽每秒鐘這個星系與我們銀河系的距離就要增加70千米。這個數值是很可怕的,意味著星系之間的距離越遠,星系遠離的速度越快,那麽極其遙遠的星系相對我們銀河系的退行速度已經超過了光速!

透過哈伯常數可以粗略估計宇宙的年齡,可算出哈伯時間約為145億年。到2015年,根據解析度更高的普朗克衛星的數據,可計算得到宇宙年齡為:(13.799 ± 0.021)× 10^9 年,近似為138億年。這是人類獲得的最精確的宇宙年齡的數據,也是我們現在一般使用的最可信的最具說服力的宇宙年齡數據。

前面說了,哈伯常數告訴我們越遠的星系退行速度越快,意味著當星系的退行速度超過光速,我們就再也看不見這個星系了。於是我們把能看到的宇宙部份稱之為可觀測宇宙。科學家估計的可觀測宇宙半徑約465億光年,直徑約930億光年。

二、可觀測宇宙中有多少個星系?

經過科學家的估算,整個可觀測宇宙的物質總量大約為3.4×10^54千克,其中包括了普通物質及暗物質、暗能量。其中暗物質和暗能量占了宇宙中物質總量的95%,余下的5%才是普通物質。現在宇宙中能夠被人類直接觀察到的星系就是由普通物質形成的恒星構成的。星系有大有小,取其品質的平均值計算,天文學家已經確定宇宙中至少有2萬億個星系。

宇宙實際上是極為空曠的,近千億光年直徑的巨大範圍內僅存在萬億個星系,而且占據了宇宙品質的不到5%。星系之間透過重力連線成巨大的星系團,若幹星系團組成了巨大的超星系團。如果把範圍擴大到百億光年,從宇宙 微波背景放射線 放射線圖上看的話,一切就都不一樣了,星系們在百億光年的尺度上已經不足以布滿整個宇宙了,它們會成團的聚集在一起,然後彼此之間延伸出星系構成的細絲,這種結構被稱為宇宙長城,長度往往在百億光年左右,超新星團則是宇宙長城之間的節點,物質之間積聚形成了一個無比巨大的結構。

三、宇宙中包含著多少顆恒星和行星,多少星球適合殖民?

我們人類生活的銀河系銀盤的直徑約為17萬到20萬光年,銀河系的恒星暈在多個方向松散延伸到距銀心約 105 萬光年外,銀河系的暗物質暈的直徑約 150 萬到 230 萬光年。根據科學家估算,銀河系有約 1000 億到 4000 億顆恒星,還有更大的估計,例如根據銀河系的可能品質和常見的恒星品質給出銀河系包含數萬億顆恒星的結果。銀河系內圍繞恒星運轉的行星數量不低於恒星數量,還有不圍繞恒星的星際行星(「流浪行星」)。2011 年,NASA 估計銀河系內品質接近木星的星際行星的數量可達恒星數量的 2 倍。

如果宇宙中星系規模都和銀河系差不多,包含著數千億到數萬億顆恒星,很容易得到宇宙的恒星總數約為數百萬億億到數億億億顆。但實際上宇宙中存在著遠比銀河系大得多的星系,例如Alcyoneus(艾爾克紐斯)星系,它是一個橢圓星系,據說它最寬處達到了驚人的1630萬光年,而最窄處也達到了200萬光年,人們估計其包含了超過960萬億億顆恒星。

但是也有遠比銀河系小得多的星系,例如已知最小的星系叫 賽格瑞2,它僅擁有1000多顆恒星,品質只有太陽的55萬倍,距離我們僅11.4萬光年,是銀河系的附屬衛星星系。

最終科學家們得到的恒星數量估計為3000萬億億顆到1億億億顆,行星和衛星等天體的數量更為龐大。

四、可觀測宇宙中有多少地球的姐妹星球?

按照較為嚴格的標準,可觀測宇宙中至少有上萬億億顆宜居行星。在這些行星之外,可能還有同一個數量級的宜居衛星和多幾個數量級的「對一部份耐環境的地球生物來說宜居」的天體。

2020 年 4 月,不列顛尼亞尼亞大學的 Michelle Kunimoto 和 Jaymie Matthews 對銀河系中類似地球的宜居行星的潛在數量進行估算。他們使用克卜勒望遠鏡的 20 萬份觀測數據進行貝葉斯分析,得出銀河系裏的 4000 億恒星中約 7% 是類似太陽的 G 型恒星,每個距離 G 型恒星 0.99 到 1.7 天文單位內的保守定義宜居帶中可能有至多 0.18 顆半徑在 0.75 到 1.5 倍地球半徑的巖石行星,置信度84.1%,排除研究中使用的一些假設的影響後的穩健估計是 0.1 顆。四千億乘以百分之七乘以零點一可以得到二十八億。這是銀河系內類似地球的行星的數量。

可觀測宇宙中恒星的總數約為銀河系恒星總數的一萬億倍,或者更多。假設恒星周圍出現類似地球的行星的機率與銀河系的上述經驗相近,那麽可觀測宇宙中類似地球的行星約有 28 萬億億個,或者更多。可以認為比銀河系小的星系不像銀河系那麽擅長支持生命,將類似地球的行星的數量降低一些,但不太可能少於一萬億億。 也就是說至少一萬億億顆行星適合人類進行殖民

宇宙巨大的尺度向我們揭示了一個真理:我們人類起源於地球,但絕不能永遠待在地球上。像馬斯克一樣致力於將人類送上宇宙,去殖民宇宙中無數星球、開拓無數星系是我們的責任。