宇宙有多少星系?

这张哈勃极深场的图片结合了美国宇航局哈勃太空望远镜10年间在原始的哈勃超深场中央拍摄的图片。

据凤凰科技(编译/严炎刘星):美国太空网报道,在宇宙里存在着大量的星系,对它最具代表性的阐述便是哈勃极深场(XDF)——一组利用哈勃太空望远镜拍摄的图片集,展示了单张复合图片里包含上千个星系。

然而,估计整个宇宙里星系的数量并非易事。首先纯粹的数值是个问题——一旦总量达到10亿以上,数量的继续增加导致计数越来越麻烦。另一个问题便是我们仪器的限制,为了获得更好的视野,望远镜必须拥有更大的光圈(主要镜面或者镜头的直径)以避免地球空气产生的扭曲失真。

美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所的天体物理学家马里奥·利维奥(Mario Livio)表示,哈勃太空望远镜是目前进行星系统计和估计的最好工具。这台于1990年发射的望远镜最初主镜面存在失真,随后在1993年的一次航天飞机访问后修复了。哈勃还经历了几次系统升级和服务访问,直到2009年5月的最终航天飞机任务。

2005年天文学家将哈勃望远镜指向看似空洞的大熊星座,并收集了长达10天的观测信息。结果显示在每一帧里大约存在3000个昏暗星系,昏暗程度相当于第30级,相比之下北极星大约为第2级。这张复合图片被称为哈勃深场,是一个人一次能够看到的最深最远的宇宙。

随着哈勃望远镜设备的不断升级,天文学家重复进行了这次实验两次。在2003年和2004年,科学家创造了哈勃超深场,这张100秒曝光的图片揭示了天炉星座单一的小点上有10000个星系。2012年,天文学家再次利用升级的设备观测了超深场的一小部分。即使在如此狭窄的视野里,科学家们仍然监测到5500个星系。科学家们将此取名为极深场。

总而言之,哈勃的观测揭示了宇宙大约存在1000亿个星系,但随着太空望远镜技术的发展,这一估计值可能增加到2000亿个。利维奥这样说道。

数星星

无论所使用的设备是什么,估计星系数量的方法是相同的。你利用望远镜选择一片天空并观测存在的星系数量,然后利用这片天空与整个宇宙的比例,从而确定整个宇宙的星系数量。“这一方法的前提假设是整个宇宙是均匀的。” 利维奥说道。“我们有理由相信事实的确如此,因为这是宇宙学原理。”

这一原理追溯到爱因斯坦的广义相对论。广义相对论的发现之一便是引力导致时空扭曲,基于此好几名科学家(包括爱因斯坦)试图理解引力将如何影响整个宇宙。

“最简单的假设便是如果你用足够差的视力观察整个宇宙,你会发现各个方向的各片天空几乎都是一样的。”美国宇航局这样表示。“这意味着,从非常大的范围内求平均值时,整个宇宙的物质是均匀和各向同性的,这被称为宇宙学原理。”

宇宙学原理的例子之一便是宇宙微波背景,这种辐射是宇宙大爆炸之后早期宇宙的残余物。利用例如美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)等设备,天文学家发现无论从哪里观测,宇宙微波背景几乎都是相同的。

星系的数量未来是否会发生变化?

对宇宙膨胀——主要是通过观测星系远离我们的速率——的测量显示,宇宙大约已经138.2亿年老。随着宇宙逐渐衰老和变大,星系将日渐后退,距离地球越来越远,这使得利用望远镜观测它们变得更加困难。

宇宙正在以超过光速的速率膨胀,这并不违反爱因斯坦的光速极限,因为膨胀的是宇宙本身,而非在宇宙里穿行的物体。同时这种膨胀速率在不断加速。这便是“可观测宇宙”——也即我们能够看到的宇宙——的概念发挥作用的地方。在1万亿年到2万亿年间,有很多星系将超出我们在地球上能够观测的范围。“我们将只能观测到那些发出的光能够到达地球的星系,但这并不意味着这是宇宙里所有的星系。这便是可观测宇宙的定义。”

星系也会随着时间的推移发生变化。银河系在未来将与邻近的仙女座星系发生碰撞并在40亿年后合并。在此之后本星系群的其它星系——距离我们最近的那些星系——将最终合并。未来星系的居民可以观测到的宇宙将更加昏暗。“那时候的文明可能无法发现宇宙具有1000亿个星系的证据,人类将无法观测到宇宙正在膨胀,甚至可能不知道曾经发生过宇宙大爆炸。”

其它宇宙呢?

随着早期宇宙的膨胀,其它理论认为不同的“口袋”可能逃离并形成不同的宇宙,它们可能以不同的速率膨胀,包含其他类型的物质,甚至拥有与我们完全不同的物理定律。利维奥指出其它宇宙可能也存在星系,只是我们无法确定的证实这一点。所以星系的总量可能比2000亿个还要大。

在我们自身的宇宙里,随着2018年詹姆斯韦伯太空望远镜的发射,天文学家将能够更好的确定星系总量。哈勃太空望远镜能够一窥宇宙大爆炸后4.5亿年形成的星系,而詹姆斯韦伯太空望远镜可以追溯到大爆炸后2亿年形成的星系。“即便如此,预计的星系总量可能并不会发生太大的变化,” 利维奥说道。他指出第一批星系不可能形成于更早时期。“因此2000亿个星系可能是我们可观测宇宙的最佳估计。”

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