宇宙结构

宇宙结构当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。分为：地球 ⊆ 地月系 ⊆ 内太阳系 ⊆ 太阳圈 ⊆ 奥尔特云⊆太阳系⊆ 本星际云 ⊆ 本地泡 ⊆ 古尔德带 ⊆ 猎户臂 ⊆ 银河系 ⊆ 银河系次集团 ⊆ 本星系群 ⊆ 室女座超星系团 ⊆ 拉尼亚凯亚超星系团 ⊆ 双鱼-鲸鱼座超星系团复合体[可疑 –讨论] ⊆ 武仙-北冕座长城[可疑 –讨论]⊆ 可观测宇宙 ⊆ 宇宙

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目录

层次结构

恒星和星云是最基本的天体。太阳系中共有八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（冥王星已被从行星里移除，降为矮行星。）除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星：月球，土星的卫星最多，已确认的有17颗。行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86%，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米。有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。本超星团（超星系团）构成的丝状结构是宇宙中已知的最大结构，一个典型的丝状结构的长度是70至150百万光年，丝状结构与空洞构成长城，空洞指的是丝状结构之间的空间，空洞与丝状结构一起是宇宙组成中最大尺度的结构。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距，长城是所知宇宙中被观察到的最巨大非结构，其中史隆长城是所知最长的长城，距离地球约10亿光年，长达13.7亿光年，其次是CFA2长城。天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。 微观结构 宇宙由星系的巨大超星系团构成，星系周围是大团看不见的空荡荡的太空。每个星系又包含了数以十亿计的恒星，构成这些恒星的物质是一些小得看不见的粒子。质子、中子和电子是最 普通的粒子，它们通常以原子的形式结合在一起。质子和中子由更小的粒子构成，它叫做夸克。 基本力 我们的宇宙由四种力或它们之间的相互作用支配，这四种力即引力、电磁力、强核力和弱相互作用力。这些作用力是由一团粒子带来的，这团粒子叫规范玻色子，它们在构成物质的粒子之间相互交换。物理学家一直试图证明这四种力也许实际上源自于一种单一的基本力。 引力 引力是一种既能将星系结合起来，又能引起一根针下落的力。两个物体的质量越大、相互越靠近，它们之间的吸引力就越强。由于引力波的发现说明了引力的本质是具有质量的物体在时空里造成的时空塌陷，进而对外界产生“引力”影响。 电磁力 电磁力作用于所有带电荷的粒子之间，比如电子。作用于固体原子和分子之间的电磁力使固体具有硬度，这种力也具有磁性和发光的特性。携带电磁力的粒子叫光子，它也是产生光线的粒子。 强核力 强核力存在于一个原子的原子核（核）内，它把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起（质子经常试图互相推开，如果没有强核力，它们将相互飞开）。载有强核力的粒子叫做胶子。 弱相互作用 弱相互作用引起放射性衰变（原子的原子核破裂），称为贝塔衰变。放射性的原子不稳定，是因为它的原子核容纳了太多的中子，当贝塔衰变发生时，一个中子变成一个质子，释放出电子（这种情况下称为β粒子）。弱相互作用是由W粒子和Z粒子传递的。 普适规则 许多年来，物理学家们试图用单一的科学定理来解释宇宙的运动，他们正向着“普适规则”方向进行研究。“普适规则”认为所有力中引力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联的，并且指出所有亚原子微粒可能都是由一种基本粒子产生的。 [1] 宏观结构 “宇宙是有限的还是无限的？有没有中心有没有边？有没有生老病死有没有年龄？”这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清楚的答案，让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩，表现出了极高的层次性。 (1) 行星 我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星和一颗矮行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。矮行星为冥王星（根据2006年8月24日国际天文学民间联合会大会的决议，以4%通过：冥王星被视为是太阳系的“矮行星”，不再被视为大行星）。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的，是人们了解的较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？ (2) 恒星和星云 晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好"群居"，有许多是"成双成对"地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。 在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。已发现了2万多颗变星。有时候天空中会突然出现一颗很亮的星，在两三天内会突然变亮几万倍甚至几百万倍，我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万倍甚至几亿倍，这就是超新星。 除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。 在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。 (3) 银河系及河外星系 随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。 银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1.6×10的11次方颗恒星。这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星分布成扁平的盘状。盘的直径为25kpc（千秒差距，1秒差距=3.26光年=3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称为银晕。晕的总质量约占整体的10%，直径约为30kpc。我们的太阳，就其光度，质量和位置讲，都只是银河系中一个极普通的成员。 此外重要的是，并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。设想有一个类似银河系的恒星集团，处于500kpc的距离上（银河自身大小为30kpc）。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。因此对天穹上的某个光点，只有测定它的距离，才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上，天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称它们为河外星系，已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。 星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙(太阳质量单位)。在明亮的星系中，这是典型的大小。质量很小的星系太暗，不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。若对视星等在23等以内的星系作统计，星系总数在109以上。 20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体，但实际上它的光度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，已发现了数千个这种天体。 (4) 星系团 当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的"介质"，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。 星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距，平均质量是星系平均质量的100倍。 (5)大尺度结构 人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（观测到的宇宙的大小是104Mpc）。大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。 从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要，并需要有大尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。 总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙面貌的基本认识。

宇宙结构奇观

最大宇宙结构 科学家最新发现一个神秘宇宙环结构，其直径达到50亿光年，是迄今发现最大的宇宙结构，它将帮助天文学家绘制遥远星系。 [4] 宇宙泡泡 天文学家表示，他们终于发现了在NGC 2359发射星云中所看到的一连串有趣的结构形态的源头。NGC 2359又被称作“托尔头盔”，是位于大犬座的发射星云，离地球大约有15000光年的距离。据估计，这个星云的直径约有30光年。与之相较，整个银河系的直径约为100000光年。