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可观测宇宙有多大,多少颗星球可以殖民?

2024-07-14科学

可观测宇宙 指能被人类使用射电望远镜观测到的宇宙部分,后文简称为宇宙,其是一个直径达930亿光年的球体,所以又称哈勃球。 一光年约9.46万亿千米, 也就是宇宙的直径大约是1亿亿亿千米。 其中包含着大约2万亿个星系,估计可能多达数亿亿亿颗恒星,以及数量更多的行星

虽然德雷克方程下,适宜人类居住的星球所需要的条件极为苛刻,却依旧能够 估算超过1万亿亿颗行星和地球环境及其近似,适合人类殖民开发

一、我们的宇宙究竟有多大?

按照宇宙中光速最快的理论,理论上宇宙已经诞生138亿年。如果可观测宇宙一年膨胀一光年,可观测宇宙的半径应该是138亿光年,为什么科学家们会计算成465亿光年呢?

事情要从上个世纪30年代说起,天文学家哈勃发现众多遥远星系都在相对于地球 退行 。也就是说其他星系离我们的银河系越来越远,他称之为红移。而且星系之间的距离越远,退行远离的速度越快,这表明宇宙正在膨胀。下面的照片就是伟大的哈勃和他的望远镜在一起。

哈勃进一步得出了遥远星系退行的速度(v)和星系之间的距离(d)是一个线性的比例,得到一个 哈勃常数 的概念。 现在测得哈勃常数的值约为: 70(km / s)/ Mpc。pc表示秒差距,M表示百万,秒差距和光年一样都是距离单位,一秒差距等于3.26光年。H= 70(km / s)/ Mpc,这个式子表示相距100万秒差距的星系每秒退行远离的距离约70千米。换言之,假设有一个星系距离银河系约100万秒差距或326万光年,那么每秒钟这个星系与我们银河系的距离就要增加70千米。这个数值是很可怕的,意味着星系之间的距离越远,星系远离的速度越快,那么极其遥远的星系相对我们银河系的退行速度已经超过了光速!

通过哈勃常数可以粗略估计宇宙的年龄,可算出哈勃时间约为145亿年。到2015年,根据清晰度更高的普朗克卫星的数据,可计算得到宇宙年龄为:(13.799 ± 0.021)× 10^9 年,近似为138亿年。这是人类获得的最精确的宇宙年龄的数据,也是我们现在一般使用的最可信的最具说服力的宇宙年龄数据。

前面说了,哈勃常数告诉我们越远的星系退行速度越快,意味着当星系的退行速度超过光速,我们就再也看不见这个星系了。于是我们把能看到的宇宙部分称之为可观测宇宙。科学家估计的可观测宇宙半径约465亿光年,直径约930亿光年。

二、可观测宇宙中有多少个星系?

经过科学家的估算,整个可观测宇宙的物质总量大约为3.4×10^54千克,其中包括了普通物质及暗物质、暗能量。其中暗物质和暗能量占了宇宙中物质总量的95%,余下的5%才是普通物质。现在宇宙中能够被人类直接观察到的星系就是由普通物质形成的恒星构成的。星系有大有小,取其质量的平均值计算,天文学家已经确定宇宙中至少有2万亿个星系。

宇宙实际上是极为空旷的,近千亿光年直径的巨大范围内仅存在万亿个星系,而且占据了宇宙质量的不到5%。星系之间通过引力连接成巨大的星系团,若干星系团组成了巨大的超星系团。如果把范围扩大到百亿光年,从宇宙 微波背景辐射 辐射图上看的话,一切就都不一样了,星系们在百亿光年的尺度上已经不足以布满整个宇宙了,它们会成团的聚集在一起,然后彼此之间延伸出星系构成的细丝,这种结构被称为宇宙长城,长度往往在百亿光年左右,超新星团则是宇宙长城之间的节点,物质之间积聚形成了一个无比巨大的结构。

三、宇宙中包含着多少颗恒星和行星,多少星球适合殖民?

我们人类生活的银河系银盘的直径约为17万到20万光年,银河系的恒星晕在多个方向松散延伸到距银心约 105 万光年外,银河系的暗物质晕的直径约 150 万到 230 万光年。根据科学家估算,银河系有约 1000 亿到 4000 亿颗恒星,还有更大的估计,例如根据银河系的可能质量和常见的恒星质量给出银河系包含数万亿颗恒星的结果。银河系内围绕恒星运转的行星数量不低于恒星数量,还有不围绕恒星的星际行星(「流浪行星」)。2011 年,NASA 估计银河系内质量接近木星的星际行星的数量可达恒星数量的 2 倍。

如果宇宙中星系规模都和银河系差不多,包含着数千亿到数万亿颗恒星,很容易得到宇宙的恒星总数约为数百万亿亿到数亿亿亿颗。但实际上宇宙中存在着远比银河系大得多的星系,例如Alcyoneus(阿尔克纽斯)星系,它是一个椭圆星系,据说它最宽处达到了惊人的1630万光年,而最窄处也达到了200万光年,人们估计其包含了超过960万亿亿颗恒星。

但是也有远比银河系小得多的星系,例如已知最小的星系叫 赛格瑞2,它仅拥有1000多颗恒星,质量只有太阳的55万倍,距离我们仅11.4万光年,是银河系的附属卫星星系。

最终科学家们得到的恒星数量估计为3000万亿亿颗到1亿亿亿颗,行星和卫星等天体的数量更为庞大。

四、可观测宇宙中有多少地球的姐妹星球?

按照较为严格的标准,可观测宇宙中至少有上万亿亿颗宜居行星。在这些行星之外,可能还有同一个数量级的宜居卫星和多几个数量级的「对一部分耐环境的地球生物来说宜居」的天体。

2020 年 4 月,不列颠尼亚大学的 Michelle Kunimoto 和 Jaymie Matthews 对银河系中类似地球的宜居行星的潜在数量进行估算。他们使用开普勒望远镜的 20 万份观测数据进行贝叶斯分析,得出银河系里的 4000 亿恒星中约 7% 是类似太阳的 G 型恒星,每个距离 G 型恒星 0.99 到 1.7 天文单位内的保守定义宜居带中可能有至多 0.18 颗半径在 0.75 到 1.5 倍地球半径的岩石行星,置信度84.1%,排除研究中使用的一些假设的影响后的稳健估计是 0.1 颗。四千亿乘以百分之七乘以零点一可以得到二十八亿。这是银河系内类似地球的行星的数量。

可观测宇宙中恒星的总数约为银河系恒星总数的一万亿倍,或者更多。假设恒星周围出现类似地球的行星的概率与银河系的上述经验相近,那么可观测宇宙中类似地球的行星约有 28 万亿亿个,或者更多。可以认为比银河系小的星系不像银河系那么擅长支持生命,将类似地球的行星的数量降低一些,但不太可能少于一万亿亿。 也就是说至少一万亿亿颗行星适合人类进行殖民

宇宙巨大的尺度向我们揭示了一个真理:我们人类起源于地球,但绝不能永远待在地球上。像马斯克一样致力于将人类送上宇宙,去殖民宇宙中无数星球、开拓无数星系是我们的责任。