在20世紀之前,人們的視線尚未穿透恒定星光的邊界,對於星辰之外的未知,一無所知。但隨著時間的推移,科學技術的突飛猛進,天文學界迎來了空前絕後的發展機遇,天文學家們信心滿滿地提出了一個大膽的假設:宇宙有限而有界,空間和時間皆有其起始和終結。本文將引領讀者以地球為圓心,層層遞進,構建起一個個同心球模型,逐層解析宇宙的尺度與結構。
第一:地球:直徑1.3萬千米
最先浮現於腦海的莫過於我們賴以生存的地球,一個直徑約12742千米的藍色星球,質素相當於60萬億億噸。如今,人們乘坐噴射式飛機,僅需數小時就能橫穿地球的子午線。飛機的窗戶外,彎曲的地平線揭示了地球球形的真面目。
第二:直徑200萬千米
假設將地球縮小至一個點,然後將前一個球體的直徑擴大100倍,我們將得到一個直徑約為200萬千米的巨大球體。它足以容納月球的執行軌域,地月之間的距離約為80萬千米,這個距離相當於地球直徑的30余倍。除此之外,這個尺度內鮮有其他天體的造訪,光線透過這個巨大的球體約需7秒。
第三:直徑2億千米(1.35天文單位)
此球體直徑已超越地球與太陽間的平均距離——1.5億千米,即一個天文單位的長度。在這一範圍內,水星、金星、火星的軌域盡收眼底,人類已發射的探測器亦有數十艘進入此層空間。此處還盤踞著許多由冰構成的小行星,直徑堪比山巒。穿越此球,光線需要耗時13分鐘。
第四:直徑120個天文單位
包含了除彗星外太陽系所有天體的同心球,其直徑達到了120個天文單位。在此球體中,太陽系行星圍繞太陽的距離變得微不足道:水星0.39個天文單位,金星0.72個天文單位,地球1個天文單位,火星1.52個天文單位,木星5.20個天文單位,土星9.54個天文單位,天王星19.2個天文單位,海王星30.1個天文單位,冥王星24.6~52.6個天文單位。站在這個巨大的球體之上,木星和土星如同渺小的光點,其他行星更是難以肉眼辨識。光的傳遞需要17個小時。
第五:直徑0.19光年(1200天文單位)
此球體的大部份區域是虛空一片,即使是冥王星的執行軌域也僅是圍繞太陽的一個小橢圓。站在邊緣,太陽化身為一顆璀璨的恒星,數以千億計的彗星在奧爾特星雲中穿梭,構成了這個同心球的外層邊界。穿越此球,光線需時70天。
第六層:直徑20光年(120萬天文單位)
在這一尺度內,太陽如同其他普通恒星,與比鄰星、半人馬座的α星共同遊蕩。這個球體中,共有17顆恒星,包括8個單星系統、3個雙星系統和1個三星系統。最值得一提的是天狼星,它的亮度是太陽的23倍,夜空中最明亮的星辰。這些恒星間相隔甚遠,擁有各自約400立方光年的獨立空間,空間中僅有極少數微小的彗星,與真空無異。
第七:直徑2000光年
此球體包含約200萬顆恒星,人類在夜晚所能見到的大部份恒星均在此範圍內。肉眼在晴朗無汙染的夜空中可辨識的恒星約5000顆。這些恒星彼此相隔數十萬天文單位。值得關註的天體包括:畢宿五(65光年)、角宿一(260光年)、昂星團(370光年)、餐宿四(430光年)、M7星團(800光年)和獵戶星雲(1400光年)。
第八:直徑20萬光年
眾所周知,我們的銀河系直徑僅為10萬光年。太陽系位於銀河系的中心與邊緣三分之二的位置,繞銀河系中心一周需時約2.2億年。自太陽誕生以來,僅繞行了不足25圈。
第九:直徑2000萬光年
此刻,銀河系成為眾多光點之一,位於這個巨大的球體內。在重力的作用下,這些星系形成一個龐大的星系群——本星系群。其中與銀河系大小相當的是仙女星系,其他星系規模皆不及銀河系的5%。星系間的空間極為空曠,每立方米僅含一個原子。
第十:直徑20億光年
這是一個巨大的空間結構,數以百萬計的星系在其中遊蕩。這些星系並非無序地漂泊,而是有序地聚集在節點、集團和條帶中。超星系團如同本星系群這樣的較小星系團的集合體,一些超星系團包含數千個星系。我們的銀河系位於室女座超星系團中,該超星系團直徑達1億光年,擁有超過5000個星系,銀河系位於其邊緣。目前,科學家們仍在探究為何星系會集結成松散的星系團而非隨機分布。
第十一:直徑130~140億光年
這個巨大的球體容納了我們已知的整個宇宙。根據宇宙大爆炸理論,宇宙起始於一個奇異點的爆炸,從那一刻起,宇宙以接近光速的速度膨脹。宇宙的年齡有限,它終將在某時刻走向終結。
為何我們可觀測的宇宙僅限於130~140億光年的範圍?
這是因為,當科學家們試圖探測更遠的137億光年之處時,他們所發現的僅是一片昏暗的能量霾,即宇宙微波背景輻射(3K輻射)。科學家們相信,這是宇宙大爆炸留下的銘印。因此,我們所生活的宇宙,其邊界就是我們能觀測到的範圍,受限於時間,我們無法窺見宇宙誕生前的景象。