长久以来,宇宙的边界一直是天文学家面临的不解之谜。在人类文明的早期阶段,人们对于地球与月亮、太阳以及其他星球之间的距离进行了不懈的探索。
随着岁月的流转,天文学家们逐步认识到,宇宙的广袤远超我们的想象,与古希腊人所认为的,群星固定于较近的天穹之中的观点截然不同。现代天文学家已明了,宇宙的宏大无边无际。
在公元前3世纪,古希腊的学者阿里斯塔克斯试图通过测量弦月时月球与太阳的夹角,来探寻地球与月球以及地球与太阳之间的距离关系。由于当时的测量技术尚不发达,其结论是地日之间的距离仅为地月距离的20倍,而事实上这一距离实为400倍。尽管如此,在当时,这一成果仍旧被认为是革命性的,它首次提出了太阳比人们想象的更为庞大和遥远的观点。
继阿里斯塔克斯之后的几十年里,喜帕恰斯这位古希腊天文学家通过计算月食发生时,月亮通过地球的影子所需的时间,成功推断出地月之间的距离,误差控制在10%以内。而在这之前,埃拉托斯特尼曾估算地球的直径约为42 000km(实际为40 000km),这一数据为喜帕恰斯的计算提供了宝贵的支持。
到了公元140年,克罗狄斯·托勒密这位希腊天文学家,提出了首个准确的天文计算方法。他从几何学的简单原理出发,解释了利用视差来计算地球与其他天体间距离的原理。
然而,直到近两个世纪之后,各种精密的天文观测设备才逐渐完善,使得视差的观测精度大大提高。1672年,意大利裔的法国天文学家让-多米尼克·卡西尼和他的同事让·里歇尔,在巴黎和法属圭亚那同时对火星进行观测,精确地确定了日地的平均距离,即现今我们所知的一个「天文单位」。
首个测量除太阳外其他恒星与地球之间距离的科学家,是德国的弗里德里希·贝塞尔。他在1838年成功推算出,天鹅座61星距离我们11光年。
今天,天文学家运用多种方法来测量宇宙中的距离。在银河系内部的测量通常使用视差法的衍生技术。对于银河系以外的观测,则会依赖于不同种类的造父变星——一种亮度极高的恒星,其亮度会周期性变化。
此外,1a型超新星也是一种测量银河系大小的手段。这类恒星在爆炸时会释放出相同数量的能量,通过比较其可观测亮度与已知的「常规超新星爆炸」强度与亮度,便可推算出距离。
承蒙这些先进的天文观测技术,我们得知,至今宇宙的规模仍旧超乎我们的想象。例如,目前已知的最遥远星系发出的光需要100亿年才能抵达地球。这个数字对我们来说太过庞大,难以直观理解。但如果我们尝试将类似的尺度应用到较小的体系上,比如太阳系,或许可以帮助我们理解100亿光年的概念。
太阳系由太阳和围绕它的行星以及无数小天体构成,而奥尔特星云则标志着太阳系的边缘,宽达1.6光年,并充满了彗星。而一光年,据我们所知,约等于十万亿公里。
如果我们将冥王星,太阳系中最远最小的天体,比作一个直径1毫米的针尖,那么太阳就相当于两个沙滩球(每个直径30厘米),并且距离针尖有2.6公里远。如果将这两个沙滩球放在温哥华,那么奥尔特星云将位于圣约翰(加拿大)。
我们的太阳系位于银河系的一条旋臂上,这是一个包含大约2000亿颗恒星的碟状星系。银河系的直径大约为10万光年,与之相比,太阳系几乎微不足道。如果继续将太阳系比作一个大头针的话,那么银河系就相当于一个冰球场。
银河系以及其他类似的星系共同组成了本星系群,其中包括35个已知成员。在无月光污染的夜晚,我们肉眼可见的仙女座星系便是其中之一。而大小麦哲伦星云等其他星系,则相对较小。
本星系群的直径约有1000万光年,它的中心位于仙女座和银河系之间。如果我们还以大头针和冰球场来比喻太阳系和银河系,那么本星系群的直径将是6.25km。
本星系群又隶属于一个更大的结构,即本超星系团,它由数十个与本星系群相似的星系团构成。位于室女座超星系团中心的超大质量星系M87,因其持续吞并邻近星系,使得室女座超星系团位于本超星系团的中心,并距离银河系约5000万光年。
超星系团之间由广阔的虚空以及少数星系组成了丝状结构,它们相隔至少1000万光年,跨度可达数千万光年。正是这些无垠的虚空,构成了我们所能观察到的宇宙,至少有130亿光年直径。
然而,我们的认知也仅止于此,超出这一边界,我们无法再观测到任何东西。