1.6: 宇宙之旅

现在，我们可以简要介绍一下天文学家今天所理解的宇宙，以了解你在整篇文章中将遇到的物体类型和距离。 我们从地球开始，这是一颗直径约为13,000千米的近乎球形的行星（图\(\PageIndex{1}\)）。 进入我们行星系统的太空旅行者很容易将地球与太阳系中的其他行星区分开来，因为大量的液态水覆盖了地球约三分之二的地壳。 如果旅行者有接收无线电或电视信号的设备，或者离得足够近，可以在夜间看到我们城市的灯光，她很快就会发现这颗水汪汪的星球有有感觉生命的迹象。

图\(\PageIndex{1}\)：这张照片显示了从地球上空 35,400 千米（约 22,000 英里）的太空观察的西半球。 将来自一颗卫星的陆地表面的数据与另一颗卫星的云层数据相结合以创建图像。 （来源：R. Stockli、A. Nelson、F. Hasler、NASA/GSFC/NOAA/USGS 对作品的修改）

我们最近的天文邻居是地球的卫星，通常称为月球。 该图\(\PageIndex{2}\)显示了在同一张图上按比例绘制的地球和月球。 请注意，我们必须使这些身体变小，才能以正确的比例将它们放在页面上。 月球与地球的距离约为地球直径的30倍，约为384,000千米，月球绕地球旋转大约需要一个月。 月球的直径为3476千米，大约是地球大小的四分之一。

图\(\PageIndex{2}\)：这张图显示了按大小和距离缩放的地球和月球。 （来源：美国宇航局对作品的修改）

光（或无线电波）需要1.3秒才能在地球和月球之间传播。 如果你看过阿波罗飞向月球的视频，你可能还记得 Mission Control 提问和宇航员回复之间有大约 3 秒的延迟。 这不是因为天文学家思维缓慢，而是因为无线电波花了将近3秒钟才完成往返。

地球围绕着我们的恒星太阳旋转，太阳距离大约 1.5 亿千米，距离我们的距离大约是月球的 400 倍。 我们将地球与太阳的平均距离称为天文单位（AU），因为在天文学的早期，它是最重要的测量标准。 光线传输 1 个天文单位需要略多于 8 分钟，这意味着我们从太阳收到的最新消息总是 8 分钟前。 太阳的直径约为150万千米；地球可以舒适地进入恒星表面发生的一次小喷发。 如果太阳缩小到篮球的大小，地球将是一个距离球大约 30 米的小苹果种子。

地球需要 1 年 (\(3 × 10^7\, seconds\)) 才能绕过太阳；要绕过太阳，我们必须以每小时大约 11 万公里的速度行驶。 （如果你像许多学生一样，仍然喜欢英里而不是千米，你可能会发现以下技巧很有用。 要将千米转换为英里，只需将千米乘以 0.6 即可。 因此，每小时 110,000 公里变为每小时 66,000 英里。） 因为重力将我们牢牢地固定在地球，而且地球在太空真空中的运动不受阻力，所以我们在参与这次极快的旅行时没有意识到这一点。

地球只是围绕太阳旋转的八颗行星之一。 这些行星连同它们的卫星和成群的小天体，例如矮行星，构成了太阳系（图\(\PageIndex{3}\)）。 行星被定义为绕恒星运行且不产生自身光的体积相当大的物体。 （如果一个大物体持续产生自己的光，那么它就被称为恒星。） 在本书的后面，这个定义将稍作修改，但是在你开始航行时，现在完全没问题。

图\(\PageIndex{3}\)：显示了太阳、行星和一些矮行星的大小按比例绘制。 行星的轨道之间的距离比这幅图中所示的要宽得多。 注意地球与巨型行星相比的大小。 （来源：美国宇航局对作品的修改）之所以能够看到我们天空中附近的行星，只是因为它们反射了我们当地恒星太阳的光线。 如果行星离得更远，我们通常看不到它们反射的少量光。 到目前为止，我们发现的绕其他恒星运行的行星是从它们的重力对母恒星施加的拉力中发现的，或者是它们在恒星面前经过时阻挡的光线中发现的。 我们无法直接看到这些行星中的大多数，尽管现在有几颗行星正在被直接成像。

太阳是我们的本地恒星，所有其他恒星也是巨大的发光气体球，它们通过内心深处的核反应产生大量能量。 我们将在本书的后面更详细地讨论导致星星发光的过程。 其他恒星看上去很微弱只是因为它们离得很远。 如果我们继续用篮球类比，距离太阳最近的恒星Proxima Centauri距离篮球将近7000公里，距离太阳4.3光年。

当你在晴朗的夜晚仰望满天星时，肉眼可见的所有星星都是我们称之为银河系或简称为银河系的单一恒星集的一部分。 （在提到银河系时，我们使用大写星系；在谈论其他恒星星系时，我们使用小写星系。） 太阳是构成银河系的数千亿颗恒星之一；正如我们将看到的那样，它的范围令人震惊。 在以太阳为中心的半径为10光年的球体中，我们发现了大约十颗恒星。 在半径为100光年的球体内，大约有10,000（104）颗恒星——太多了，难以计算或命名——但我们仍然只穿越了银河系的一小部分。 在 1000 光年的球体中，我们发现了大约一千万（107）颗恒星；在 100,000 光年的球体内，我们终于包围了整个银河系。

我们的 Galaxy 看起来像一个巨大的圆盘，中间有一个小球。 如果我们能移出银河系，从上方向下看银河系的圆盘，它可能与图中的星系类似\(\PageIndex{5}\)，其螺旋结构由青春期炎热恒星的蓝光勾勒出来。

图\(\PageIndex{4}\)：这个由数十亿颗恒星组成的星系以其目录编号NGC 1073命名，被认为与我们自己的银河系相似。 在这里，我们可以看到一个巨大的轮状系统，中间有一条星星。 （来源：美国宇航局、欧空局）

太阳距离银河系中心大约不到30,000光年，这个地方没什么好区别的。 从我们在银河系中的位置来看，我们无法透视它的远缘（至少在普通光线下看不见），因为恒星之间的空间并不是完全空的。 它含有稀疏分布的气体（主要是最简单的元素，氢气）与微小的固体粒子（我们称之为星际尘埃）混合在一起。 这种气体和尘埃在银河系的许多地方聚集到巨大的云层中，成为子孙后代恒星的原材料。 该图\(\PageIndex{5}\)显示了从我们的有利位置看到的银河系磁盘的图像。

图\(\PageIndex{5}\)：因为我们身处银河系内，所以我们看到银河系的横截面圆盘像一条巨大的乳白色恒星大道一样，上面有深色的 “裂缝” 尘埃。 在这张引人注目的图像中，其中一部分可以在加利福尼亚沙漠的Trona Pinnacles上方看到。 （来源：伊恩·诺曼）

通常，星际物质非常稀少，以至于恒星之间的空间比我们在地面实验室所能产生的任何真空都要好得多。 然而，太空中的尘埃积聚了数千光年，可以阻挡更远恒星的光线。 就像洛杉矶烟雾弥漫的日子里从我们的视线中消失的遥远建筑物一样，在星际烟雾层的背后看不到银河系中更遥远的区域。 幸运的是，天文学家发现恒星和原材料会发出各种形式的光，其中一些光确实会穿透烟雾，因此我们得以绘制出一张相当不错的银河系地图。

但是，最近的观察也揭示了一个相当令人惊讶和令人不安的事实。 银河系所拥有的东西似乎比眼睛（或望远镜）要多得多。 通过各种调查，我们有证据表明，我们的银河系的大部分是由我们目前无法用仪器直接观测的材料组成的。 因此，我们称之为银河系暗物质的这个组成部分。 我们知道暗物质是通过其重力对恒星和我们可以观察到的原材料施加的拉力而存在的，但是这种暗物质是由什么构成的，存在多少仍然是个谜。 此外，这种暗物质不仅限于我们的银河系；它似乎也是其他恒星分组的重要组成部分。

顺便说一句，并不是所有的恒星都像太阳一样独自生活。 许多恒星是在双重或三重系统中诞生的，有两颗、三颗或更多的恒星相互旋转。 由于恒星在如此紧密的系统中相互影响，因此多颗恒星使我们能够测量通过观测单颗恒星无法辨别的特征。 在许多地方，已经形成了足够多的恒星，因此我们将其识别为星团（图\(\PageIndex{6}\)）。 天文学家编目的一些最大的星团包含数十万颗恒星，占据了数百光年的太空体积。

图\(\PageIndex{6}\)：这个大型星团以其目录号 M9 而闻名。 它包含大约 250,000 颗恒星，使用哈勃太空望远镜可以更清楚地从太空中看到。 它距离大约 25,000 光年。

你可能会听到被称为 “永恒” 的星星，但实际上没有一颗恒星能永远持续下去。 由于恒星的 “生意” 是制造能源，而能源生产需要某种燃料才能用完，因此所有恒星最终都会耗尽燃料。 但是，这个消息不应该让你感到恐慌，因为我们的太阳还有至少 50 亿或 60 亿年的时间。 最终，太阳和所有恒星都会死亡，正是在它们的死亡阵痛中揭示了宇宙中一些最有趣和最重要的过程。 例如，我们现在知道我们体内的许多原子曾经在恒星内部。 这些恒星在生命的尽头爆炸，将它们的物质回收回银河系的水库。 从这个意义上讲，我们所有人实际上都是由回收的 “星尘” 组成的。