宇宙結構

宇宙結構當代天文學的研究成果表明，宇宙是有層次結構的、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體系統。分為：地球 ⊆ 地月系 ⊆ 內太陽系 ⊆ 太陽圈 ⊆ 奧爾特雲⊆太陽系⊆ 本星際雲 ⊆ 本地泡 ⊆ 古爾德帶 ⊆ 獵戶臂 ⊆ 銀河系 ⊆ 銀河系次集團 ⊆ 本星系群 ⊆ 室女座超星系團 ⊆ 拉尼亞凱亞超星系團 ⊆ 雙魚-鯨魚座超星系團複合體[可疑 –討論] ⊆ 武仙-北冕座長城[可疑 –討論]⊆ 可觀測宇宙 ⊆ 宇宙

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目錄

層次結構

恆星和星雲是最基本的天體。太陽系中共有八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（冥王星已被從行星里移除，降為矮行星。）除水星和金星外，其他行星都有衛星繞其運轉，地球有一個衛星：月球，土星的衛星最多，已確認的有17顆。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運轉，構成太陽系。太陽占太陽系總質量的99.86%，其直徑約140萬千米，最大的行星木星的直徑約14萬千米。太陽系的大小約120億千米。有證據表明，太陽系外也存在其他行星系統。2500億顆類似太陽的恆星和星際物質構成更巨大的天體系統——銀河系。銀河系中大部分恆星和星際物質集中在一個扁球狀的空間內，從側面看很像一個「鐵餅」，正面看去則呈旋渦狀。銀河系的直徑約10萬光年，太陽位於銀河系的一個旋臂中，距銀心約3萬光年。銀河系外還有許多類似的天體，稱為河外星系，常簡稱星系。現已觀測到大約有10億個。星系也聚集成大大小小的集團，叫星系團。平均而言，每個星系團約有百餘個星系，直徑達上千萬光年。現已發現上萬個星系團。包括銀河系在內約40個星系構成的一個小星系團叫本星系群。若干星系團集聚在一起構成更大、更高一層次的天體系統叫超星系團。超星系團往往具有扁長的外形，其長徑可達數億光年。通常超星系團內只含有幾個星系團，只有少數超星系團擁有幾十個星系團。本星系群和其附近的約50個星系團構成的超星系團叫做本超星系團。本超星團（超星系團）構成的絲狀結構是宇宙中已知的最大結構，一個典型的絲狀結構的長度是70至150百萬光年，絲狀結構與空洞構成長城，空洞指的是絲狀結構之間的空間，空洞與絲狀結構一起是宇宙組成中最大尺度的結構。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一個典型的空洞直徑大約為11至150個百萬秒差距，長城是所知宇宙中被觀察到的最巨大非結構，其中史隆長城是所知最長的長城，距離地球約10億光年，長達13.7億光年，其次是CFA2長城。天文觀測範圍已經擴展到200億光年的廣闊空間，它稱為總星系。 微觀結構 宇宙由星系的巨大超星系團構成，星系周圍是大團看不見的空蕩蕩的太空。每個星系又包含了數以十億計的恆星，構成這些恆星的物質是一些小得看不見的粒子。質子、中子和電子是最 普通的粒子，它們通常以原子的形式結合在一起。質子和中子由更小的粒子構成，它叫做夸克。 基本力 我們的宇宙由四種力或它們之間的相互作用支配，這四種力即引力、電磁力、強核力和弱相互作用力。這些作用力是由一團粒子帶來的，這團粒子叫規範玻色子，它們在構成物質的粒子之間相互交換。物理學家一直試圖證明這四種力也許實際上源自於一種單一的基本力。 引力 引力是一種既能將星繫結合起來，又能引起一根針下落的力。兩個物體的質量越大、相互越靠近，它們之間的吸引力就越強。由於引力波的發現說明了引力的本質是具有質量的物體在時空里造成的時空塌陷，進而對外界產生「引力」影響。 電磁力 電磁力作用於所有帶電荷的粒子之間，比如電子。作用於固體原子和分子之間的電磁力使固體具有硬度，這種力也具有磁性和發光的特性。攜帶電磁力的粒子叫光子，它也是產生光線的粒子。 強核力 強核力存在於一個原子的原子核（核）內，它把原子內的中子和帶正電荷的質子結合在一起（質子經常試圖互相推開，如果沒有強核力，它們將相互飛開）。載有強核力的粒子叫做膠子。 弱相互作用 弱相互作用引起放射性衰變（原子的原子核破裂），稱為貝塔衰變。放射性的原子不穩定，是因為它的原子核容納了太多的中子，當貝塔衰變發生時，一個中子變成一個質子，釋放出電子（這種情況下稱為β粒子）。弱相互作用是由W粒子和Z粒子傳遞的。 普適規則 許多年來，物理學家們試圖用單一的科學定理來解釋宇宙的運動，他們正向着「普適規則」方向進行研究。「普適規則」認為所有力中引力、電磁力、強核力、弱相互作用力都是相互關聯的，並且指出所有亞原子微粒可能都是由一種基本粒子產生的。 [1] 宏觀結構 「宇宙是有限的還是無限的？有沒有中心有沒有邊？有沒有生老病死有沒有年齡？」這些恐怕是自從有人類的活動以來一直被關心的問題。為了有一個更清楚的答案，讓我們先來看看它的組成和結構吧。宇宙中的天體絢麗多彩，表現出了極高的層次性。 (1) 行星 我們居住的地球是太陽系的一顆大行星。太陽系一共有八顆大行星和一顆矮行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。矮行星為冥王星（根據2006年8月24日國際天文學民間聯合會大會的決議，以4%通過：冥王星被視為是太陽系的「矮行星」，不再被視為大行星）。除了大行星以外，還有60多顆衛星、為數眾多的小行星、難以計數的彗星和流星體等。他們都是離我們地球較近的，是人們了解的較多的天體。那麼，除了這些以外，茫茫宇宙空間還有一些什麼呢？ (2) 恆星和星雲 晴夜，我們用肉眼可以看到許多閃閃發光的星星，他們絕大多數是恆星，恆星就是象太陽一樣本身能發光發熱的星球。我們銀河系內就有1000多億顆恆星。恆星常常愛好"群居"，有許多是"成雙成對"地緊密靠在一起的，按照一定的規律互相繞轉着，這稱為雙星。還有一些是3顆、4顆或更多顆恆星聚在一起，稱為聚星。如果是十顆以上，甚至成千上萬顆星聚在一起，形成一團星，這就是星團。銀河系裡就發現1000多個這樣的星團。 在恆星世界中還有一些亮度會發生變化的星-變星。它們有的變化很有規律，有的沒有什麼規律。已發現了2萬多顆變星。有時候天空中會突然出現一顆很亮的星，在兩三天內會突然變亮幾萬倍甚至幾百萬倍，我們稱它們為新星。還有一種亮度增加得更厲害的恆星，會突然變亮幾千萬倍甚至幾億倍，這就是超新星。 除了恆星之外，還有一種雲霧似的天體，稱為星雲。星雲由極其稀薄的氣體和塵埃組成，形狀很不規則，如有名的獵戶座星雲。 在沒有恆星又沒有星雲的廣闊的星際空間裡，還有些什麼呢？是絕對的真空嗎？當然不是。那裡充滿着非常稀薄的星際氣體、星際塵埃、宇宙線和極其微弱的星際磁場。隨着科學技術的發展，人們必定可以發現越來越多的新天體。 (3) 銀河系及河外星系 隨着測距能力的逐步提高，人們逐漸在越來越大的尺度上對宇宙的結構建立了立體的觀念。這裡第一個重要的發展，是認識了銀河。它包含兩重含義，一是了解了銀河的形狀，二是認識了河外天體的存在。 銀河系是太陽所屬的一個龐大的恆星集團，約包括1.6×10的11次方顆恆星。這種恆星集團叫星系。銀河系中大部分恆星分布成扁平的盤狀。盤的直徑為25kpc（千秒差距，1秒差距=3.26光年=3.09億億米），厚度約為2kpc。盤的中心有一球狀隆起，稱為核球。盤的外部由幾條旋臂構成。太陽位於其中一條旋臂上，距離銀心約7kpc。銀盤上下有球狀的延展區，其中恆星分布較稀疏，稱為銀暈。暈的總質量約占整體的10%，直徑約為30kpc。我們的太陽，就其光度，質量和位置講，都只是銀河系中一個極普通的成員。 此外重要的是，並非天穹上一切發光體都是銀河系的一部分。設想有一個類似銀河系的恆星集團，處於500kpc的距離上（銀河自身大小為30kpc）。其表觀亮度與2pc遠處一顆類似太陽的恆星是一樣的。因此對天穹上的某個光點，只有測定它的距離，才能區分它是銀河系內的恆星還是銀河系外的另一個星系。實際上，天穹上的大多數光點是銀河系的恆星，但也有相當大量的發光體是與銀河系類似的巨大恆星集團，歷史上曾被誤認為是星雲，我們稱它們為河外星系，已知道存在1000億個以上的星系，著名的仙女星系、大小麥哲倫星雲就是肉眼可見的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙結構中的一個層次，從宇宙演化的角度看，它是比恆星更基本的層次。 星系的質量差別很大。銀河系的質量約為1011M⊙(太陽質量單位)。在明亮的星系中，這是典型的大小。質量很小的星系太暗，不易看到。小星系的質量可低達106M⊙。星系的典型尺度為幾十千秒差距。若對視星等在23等以內的星系作統計，星系總數在109以上。 20世紀60年代以來，天文學家還找到一種在銀河系以外象恆星一樣表現為一個光點的天體，但實際上它的光度和質量又和星系一樣，我們叫它類星體，已發現了數千個這種天體。 (4) 星系團 當我們把觀測的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系構成的"介質"，而恆星只是星系內部細緻結構的表現。這樣，為了了解宇宙結構，需關心星系在空間的分布規律。 星系的空間分布不是無規的，它也有成團現象。上千個以上的星系構成的大集團叫星系團。大約只有10%星系屬於這種大星系團。大部分星系只結成十幾、幾十或上百個成員的小團。可以肯定的是，星系團代表了宇宙結構中比星系更大的一個新層次。這層次的尺度大小為百萬秒差距，平均質量是星系平均質量的100倍。 (5)大尺度結構 人們把10Mpc以上的結構稱為宇宙的大尺度結構（觀測到的宇宙的大小是104Mpc）。大尺度上的觀測事實遠不是十分明確的。有趣的是，有跡象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫狀。即有許多看不到星系的"空洞"區，而星系聚集在空洞的壁上，呈纖維狀或片狀結構。這一層次的結構叫超星系團。它的典型尺度為幾十兆秒差距。 從演化理論來考慮，尺度大到一定程度，應不再有結構存在。這是否符合事實，以及這尺度多大，都是十分重要，並需要有大尺度觀測來回答的問題。現今對宇宙在50Mpc以上是否還有顯著的結構現象存在，正是人們熱烈爭論中的焦點。 總之，若把星系看成宇宙物質的基本單元，那麼星系的分布狀況就是宇宙結構的表現。看來，直至50Mpc的尺度為止，星系的分布呈現有層次的結構。這就是我們對宇宙面貌的基本認識。

宇宙結構奇觀

最大宇宙結構 科學家最新發現一個神秘宇宙環結構，其直徑達到50億光年，是迄今發現最大的宇宙結構，它將幫助天文學家繪製遙遠星系。 [4] 宇宙泡泡 天文學家表示，他們終於發現了在NGC 2359發射星雲中所看到的一連串有趣的結構形態的源頭。NGC 2359又被稱作「托爾頭盔」，是位於大犬座的發射星雲，離地球大約有15000光年的距離。據估計，這個星雲的直徑約有30光年。與之相較，整個銀河系的直徑約為100000光年。