太陽系外的故事 2024年的新發現，宇宙比你想象的要大得多｜ “哈勃”看到了宇宙大爆炸！

大家好,我是斯文 這期視頻我們來說一個非常宏大的主題 宇宙有多大 就在今年年初的時候 英國中央蘭開大學的天文學家洛佩茲 發現了一個巨大的宇宙結構大環 這是一個由很多星系和星系團組成的 幾乎完美的圓形星系群 它的直徑大約是13億光年 周長高達40億光年 是目前可觀測宇宙內已知的最大結構之一 但是按照目前的宇宙形成論來說 這個大環大到我們的宇宙已經裝不下它了 我們現在的理論是 在宇宙大爆炸之後 物質通過引力逐漸聚集 從較小的結構逐漸合併成了較大的結構 然後逐漸形成了星系和星系團 但是這個過程是需要有足夠的時間進行的 宇宙形成至今大約有138億年的歷史 宇宙裏能形成的最大結構 經過計算理論值應該是12億光年 但是它的直徑是13億光年 已經超過了宇宙形成的理論極限了 按理說是不可能的 因爲沒有足夠的時間來形成這麼大的結構 而且按照目前的宇宙學原理 宇宙應該是均勻一致的 就說不管我們站在宇宙的哪個地方觀察 看到的宇宙應該都是差不多的 更準確來說 宇宙均不均勻要取決於觀測尺度 假如我們把宇宙看成是海洋 我們站在海邊看海面的時候 海面應該是這種波濤洶湧的 但是如果大家坐飛機的時候有注意過 就會發現在飛機上看到的海面 其實是非常平滑和平靜的 宇宙學原理就是這個意思 而洛佩茲發現的這個大環 就像是一個平滑的表面上出現了一個顯眼的疙瘩 讓本應該是均勻的宇宙變得不均勻了 那這種大型結構到底是怎麼形成的呢 難道是人類對於宇宙的測量出錯了嗎 宇宙又是怎麼演化成我們現在看到的這個樣子的呢 宇宙究竟有多大 我想大家或多或少都想過這個問題 但是這個問題我們自己很難想象出答案 而且想多了之後人還會產生一種虛無感 公元一世紀的時候 古希臘的天文學家托勒密提出了地心說的理論 他認爲地球是宇宙的中心 太陽 月亮 行星 包括其他所有天體都是繞着地球轉的 而地球本身在宇宙中的位置是不變的 這個理論在當時得到了大家的認可 直到16世紀初期 波蘭的天文學家和數學家戈白尼提出了日心說 這才推翻了托勒密的地心說 戈白尼認爲太陽纔是宇宙的中心 地球只不過是太陽系中的一個普通行星 但是他的這個說法在當時是不被認可的 經過了一個多世紀才慢慢的被世人所接受 還有一直以來都有傳言說 戈白尼是因爲反對地心說被燒死的 其實他是病死的 真正被燒死的是他的一個支持者叫布魯諾 他是一個意大利的哲學家 他堅持捍衛戈白尼的日心說 並且他還提出了自己的主張 他認爲太陽也只是衆多恆星之一 而且他還認爲人類在宇宙中也不是唯一的 但是他的這種主張在當時被認爲是異端 所以在1600年的時候他被判了火刑 在羅馬被當衆燒死 我們現在看來 戈白尼的觀點雖然也不完全正確 但是他提出的理論給當時人類的宇宙觀 帶來了很大的改變 人們開始思考 我們身處的太陽系到底有多大呢 想要計算太陽系的大小並不是件容易事 從戈白尼提出日心說之後的 人類對於太陽系大小的計算就沒有太大進展 直到開普勒的出現 開普勒雖然也不知道太陽系每顆行星之間的距離到底是多少 但是他在1595年的時候 發現了太陽系每個行星之間的位置關係和比例 他當時把地球跟太陽之間的距離叫做一個天文單位 所以只要想辦法知道一個天文單位是多少 那不就能算出每個行星之間的距離了嗎 也就能算出整個太陽系有多大的 1677年11月7號 英國天文學家埃德蒙·哈雷 就是發現哈雷彗星的那個天文學家 他想到了一個辦法 就是利用金星凌日來測量地球到太陽之間的距離 只要在金星凌日的過程中測量出金星通過表面的時間 就可以計算出金星到太陽的距離 也就能計算出地球到太陽的距離了 辦法是不錯 但是我們之前也說過 金星凌日是一種非常罕見的天文現象 通常都是成組出現的 相鄰的一組金星凌日時間間隔是8年 但是組跟組之間的時間間隔超過100年 哈雷預測下一對金星凌日是在1761年和1769年 這麼看的話哈雷也明白了 自己基本上是活不到那個時候的 即使他能活到那個時候也已經100多歲了 恐怕很難再繼續進行觀測了 所以他預測出了幾十個可以觀測到金星凌日的地點 希望後人可以把握住機會進行觀測 這樣也就能算出地球到太陽之間的距離了 很快時間來到了1769年 有人可能會問爲什麼不是1761年呢 其實1761年的時候也有很多天文學家進行觀測 但是在金星凌日當天所有人的觀測結果都不理想 可以說1761年的這次金星凌日 所有人最終都以失敗告終了 所以在1769年的這次金星凌日 也是這代科學家最後一次觀測機會了 航海家庫克船長鎖定了一個最佳的觀測點 就是塔西提到 而且英國爲了這次天文觀測能夠順利 1769年6月4號 庫克的團隊分別在島上的兩個點 和附近的莫雷亞島觀測了金星凌日的整個過程 在這次金星凌日的觀測過程中 全世界的天文學家一共得到了154組有效的觀測數據 法國的數學家拉朗德對這些數據進行了歸納和計算 最終在1771年得到了計算結果 就是地球到太陽的平均距離是1.53億公里 他算的這個結果跟我們現在知道的1.496億公里很接近 所以從此之後世界上就有了一個比較準確的天文單位 人們根據這個天文單位 推算出了太陽系各個行星到地球的距離 如果以海王型軌道作爲太陽系邊界的話 那麼太陽系的直徑大約是60個天文單位 也就是90億公里 太陽系的大小知道了 暫時這已經滿足不了人類的好奇心了 人們又開始思考太陽系之外的銀河系又有多大呢 1781年威廉·赫西爾開始觀察銀河系 在他那個時代人們覺得銀河系也就是整個宇宙 如果知道銀河系的大小 那就是知道了整個宇宙的大小 如果知道了我們在銀河系中的位置 也就知道了我們在宇宙中的位置 但是用天文單位根本不足以來測量銀河系的大小 所以1838年的時候 德國天文學家弗雷德里希·威廉·貝塞爾 使用了一個新的單位就是光年 一光年指的是光在一年的時間裏走過的距離 大概是63240個天文單位 也就是將近9.5萬億公里 而且威廉·貝塞爾還測出天鵝座6億 距離地球10.3光年 這個10.3光年除了表明它跟地球的距離 其實也表明了我們看到的是它十年前的樣子 我們現在知道了 太陽系只是銀河系中非常小的一部分 銀河系中光是恆星就大約有2000億顆 而太陽只是這2000億顆恆星裏 普通的不能再普通的一顆了 而且就算是現在人類的科技 也就是勉強能到達太陽系邊緣 所以威廉·貝塞爾到底是怎麼測量出銀河系的大小呢 威廉·貝塞爾想到了一個辦法 就是對恆星進行計數 他在600多個不同的地點觀測天空 並且他把他能看到的每一顆恆星都記錄了下來 就這樣他首次畫出了銀河系的形狀 在這個圖裏威廉·貝塞爾也畫出了太陽的位置 就是靠近中心的這個黑點 由此威廉·貝塞爾得出結論 太陽系位於銀河系的中心 並且他測算出來的銀河系的長度大約是6000光年 後來隨着望遠鏡還有觀測技術的發展 到了20世紀初 天文學家對銀河系的測量更加精準了 他們一致認爲 銀河系的長度應該不會超過3萬光年 直到1908年的時候 當時哈佛大學的天文臺有一個女性天文學家 叫亨利·艾塔·勒維特 她發現了一種可以測量上萬光年距離的方法 就是利用造幅變形 造幅變形的亮度會隨着時間發生週期性變化 只要知道了它的亮度 就能根據公式算出我們到它的距離 所以造幅變形也叫量天池 1914年美國的天文學家哈勒·沙普利 決定利用造幅變形來測量銀河系的大小 他先是在銀河系的各個角落找了69個球狀星團 每個星團裏都包含了數萬甚至數百萬顆恆星 經過了4年的觀測 這跟20世紀初的那些天文學家說的三萬光年可是差了十倍 除此之外 沙普利還發現太陽系並不在銀河系的中心 而是在銀河系的焦區 所以他的這個結果跟前人的結論差距太大了 他當時也是受到了非常多人的質疑 1920年4月26號 針對沙普利的這個結論 天文學界進行了一場世紀天文大辯論 辯論的主題就是宇宙的大小 辯論雙方都是當時比較有影響力的天文學家 一個就是我們剛剛說的哈洛沙普利 另一個叫希伯科蒂斯 所以這場辯論會在歷史上也叫做沙普利科蒂斯之爭 辯論會開始之後 沙普利一上來就說 銀河系就是整個宇宙 他計算出來的銀河系大小就是整個宇宙的大小 像仙女星系這種螺旋星系只是銀河系的一部分 理由很簡單 他覺得如果仙女星系不是銀河系的一部分 那它到銀河系的距離肯定在十的八次方光年左右 這個距離跨度在當時的天文學界 大家肯定是接受不了的 而科蒂斯認爲銀河系代表不了整個宇宙 銀河系也好 仙女星系也好 都只是宇宙裏衆多星系的一部分 就像是海上的一座座小島一樣 除此之外 科蒂斯還說 他在研究的過程中發現 很多星雲的內部都有一些特別明亮的天體 他當時管這種天體叫星星 他認爲可能是星雲內部孕育出來的新的恆星 而我們現在看來 他說的這個星星其實就是白矮星 我們在黑洞的那些視頻裏介紹過 白矮星是恆星走向死亡過程中的一個階段 科蒂斯覺得這些星星足夠的亮 但是跟銀河系內部的恆星一比 它們的亮度又明顯低了很多 這不正是因爲它們離得太遠 所以看上去才暗一些嗎 兩個人各有各的道理 所以這場辯論會最後誰也沒說服誰 直到四年後一個人的出現才結束了這場辯論 這個人就是埃德溫·哈勃 我們經常聽說的哈勃望遠鏡 就是用他的名字命名的 哈勃這個人可以說是個六邊形戰士 天文、數學、拳擊、法律什麼都懂 1917年 他放棄了成爲職業拳擊手的機會 選擇參軍 第一次世界大戰結束後 1920年 他加入了當時擁有世界上最好望遠鏡的威爾遜山天文臺 1924年 當時年僅35歲的哈勃 開始在星雲中尋找星星 他瞄準的也是仙女座 這個仙女座在19世紀中期 被天文學家梅西耶列入到了星雲表中 排行第三十一位 所以我們現在也管仙女座叫M31 哈勃在仙女座發現了造父變形 就是我們剛剛說過的 那找到造父變形 也就能測出地球到仙女座的距離了 經過計算 哈勃發現仙女座和地球之間的距離 超過了上百萬光年 這個距離太遠了 它不可能屬於銀河系 而是銀河系外的一個獨立的星系 哈勃把這個觀測結果寄給了沙普利 沙普利看到這封信的時候 覺得自己的宇宙觀瞬間崩塌了 但其實沙普利說的也不全是錯的 我們現在知道 太陽系確實不在銀河系的中心 但銀河系也沒有他說的那麼大 銀河系的指徑大約是10萬到18萬光年 雖然造父變形可以幫助人類測量宇宙的尺度 但它還是有一定的侷限 當時人類的望遠鏡 最遠也只能觀測到幾百萬光年之外的天體 但是宇宙可遠遠不止幾百萬光年 如果想要看得更遠該怎麼辦呢 這個問題還是要哈勃來解決 1928年 哈勃參加了國際天文學聯合會 在會上他聽到了有關宇宙膨脹的理論 愛因斯坦推出廣義相對論之後 有一些科學家就根據他的廠方程計算出來 宇宙竟然一直在膨脹 但是愛因斯坦本人並不這麼認爲 他認爲宇宙應該是靜態的 宇宙空間的大小是不變的 爲此愛因斯坦給自己的引力廠方程中 引入了一個宇宙常數 這個常數能讓計算出來的宇宙保持靜態 哈勃並不相信愛因斯坦給出的宇宙常數 他決定還是自己動手來尋找答案 要想知道宇宙是不是在一直膨脹 只要知道星系之間的距離是越來越近 還是越來越遠就可以了 但是用什麼方法呢 就是多普勒效應 也叫多普勒頻移 這個現象指的是當一個波源 相對於觀察者運動時 觀察者接收到的波的頻率或者波長 發生改變的一種現象 這種現象我們日常生活中經常能遇到 比如當一輛車按着喇叭向你開過來的時候 你聽到的喇叭聲會越來越大 當車開遠之後 你聽到的聲音就會變低 因爲當車接近的時候 聲波會被壓縮 頻率增高 聲音就會變高 當車遠離的時候 聲波會被拉長 頻率降低 聲音就會變低 這是聲波 那光波也是波 也適用於多普勒效應 在宇宙中 如果橫行朝着地球運動 光的譜線就會向紫光的方向移動 稱爲藍移 如果星系遠離地球 那光的譜線就會向紅光的方向移動 稱爲紅移 1929年 哈勃和他的助手赫馬森 測量了24個銀河系外星系的距離 他們發現 這些星系確實是在朝着遠離地球的方向移動 而且距離越遠的星系移動的速度越快 哈勃還發現 星系的紅移速度和它到我們的距離成正比 這下哈勃找到了宇宙膨脹的證據 他將觀測結果總結成了一個數學公式 其中v是星系的遠離速度 d是星系跟地球之間的距離 這個h0就是哈勃常數 當時哈勃計算的數值是526 那麼根據哈勃常數 人們估算出了宇宙的年齡大約是21年 半徑大約是68億光年 但是這個計算結果 很多人都覺得不可能 並不是大小的問題 而是宇宙20億的年齡太小了 人們當時測出地球的年齡是31年 怎麼宇宙的年齡比地球還小呢 所以一時間大家都覺得肯定是哈勃常數有問題 但是還沒等哈勃重新計算 第二次世界大戰開始了 哈勃又參軍了 在這期間 他的工作被另一位科學家取代了 就是烏爾特·巴德 巴德通過新的觀測數據重新修訂了哈勃常數 也重新計算了宇宙的大小 這次巴德計算出來的宇宙大小 比哈勃之前算的大了一倍 半徑超過了120億光年 年齡也提高到了38億年 1953年9月28號 哈勃因爲腦血栓在加利福尼亞州去世了 哈勃生前的願望是不想舉辦葬禮 希望靜靜的離去 他的妻子獨自給他辦了後事 沒有葬禮也沒有墓碑 等到他妻子去世後呢 世上再沒有人知道他埋在哪裏了 1990年4月24號 發現號航天飛機 載着一臺太空望遠鏡從地球升空 爲了紀念哈勃 這個望遠鏡被命名爲了哈勃太空望遠鏡 也有人說是哈勃的遺體 以某種方式融入了這臺望遠鏡裏 1995年 哈勃望遠鏡連續十天 盯着北斗七星附近 一小塊幾乎什麼都沒有的區域 拍下了324張獨立曝光影像 最終合成了哈勃望遠鏡的第一張升空照片 也叫哈勃升空 這張照片上有3000多個亮點 這些不是星星 而是跟銀河系一樣 擁有數千億顆橫行的星系 而這3000多個星系 也只佔了整個天群面積的2400萬分之一 三年後 哈勃望遠鏡生成了第二張升空照片 叫哈勃南部升空 同樣的星系分佈密度 同樣的星系結構 甚至是同樣的星系亮度 這張新的升空照片 跟三年前第一張升空照片看上去 並沒有什麼大的區別 這個就是咱們開頭說的 宇宙是均勻的 因爲這兩張照片的相似度太高了 說明宇宙裏星系的分佈十分均勻 所以哈勃望遠鏡不管朝着哪個方向拍 最終得到的圖像應該都是大同小異的 2003年9月到2004年1月 哈勃望遠鏡對着天魯座方向 進行了長達113天的累計曝光 最終合成了哈勃超級升空 這次拍攝的天區大小要比前兩次都大 大概是整個天區的1270萬分之一 其中包含了大約1萬個星系 裏面最小最紅的星系 是哈勃望遠鏡拍攝到的最遙遠的星系 這些星系都在130億光年之外 也就是說大家現在看到的 基本就是宇宙大爆炸後 形成的第一批星系了 在哈勃升空照片出現之前 天文學家預測 宇宙星系總量在千萬級別 但哈勃升空說明 可觀測宇宙內至少擁有一千億個星系 而這些百億光年外的星系 有的甚至都沒來得及大規模升成恆星 所以這張照片向人類展示了一個 極其年輕的宇宙 就像當時媒體報道的那樣 哈勃看到了大爆炸 說到宇宙大爆炸 目前天文學界對宇宙的年齡 也有了一個共識 就是大約138億年 在138億年前 宇宙中所有的物質 都被擠成了一個溫度極高的點 在一瞬間這個點突然爆裂 構成宇宙的所有物質被送入太空 這個點爆裂的瞬間 就是宇宙大爆炸 而且隨着宇宙的不斷膨脹 目前它的可觀測直徑 已經達到了930億光年 可觀測宇宙內 發現了超過7萬億個星系 我們生活的地球 只是宇宙尺度上的一粒沙塵 但是大家注意 這個930億光年 是人類可觀測範圍內的宇宙大小 也就是說人類目前的科技水平 只能看到這麼遠 那可觀測宇宙外的星系數量 我們還不知道 很可能要比可觀測宇宙內的星系數量 還要多上好多倍 而且目前哈勃太空望遠鏡 最新的觀測數據顯示 宇宙並不是勻速膨脹 而是在加速膨脹 所以宇宙到底有多大 930億光年嗎 我相信絕對不止 隨着人類觀測技術的進步 這個數值可能會在將來被刷新 就像咱們視頻開頭說到的大環 它的出現 打破了我們原有的宇宙是均勻的理論 如果說它是唯一一個被發現的巨型結構 那有可能是個特例 但它並不是 三年前也就是2021年 諾佩茲他們的團隊 就發現過一個長達33億光年的巨大結構 他們當時給這個結構命名爲巨湖 這個巨湖和大環離得非常近 而且他們到地球的距離都差不多 大約都是92億光年 所以諾佩茲他們團隊覺得 這兩個巨型結構 很可能是一個更大結構的一部分 而根據宇宙大爆炸理論 宇宙誕生38萬年之後 光才得以在宇宙中穿梭 哈勃作爲一架光學望遠鏡 是看不到之前的38萬年是什麼樣的 所以想要真正瞭解 宇宙大爆炸之初發生了什麼 還有這些巨大結構意味着什麼 人類還要不斷探索 也許有一天 我們就能發現宇宙誕生之初的那道光