宇宙有多重?这个数字是你永远想象不到的
想知道宇宙有多重吗?显然,我们不可能找到一个足够大的称。问题的答案,也许阿基米德早已给过我们提示:“给我一个支点,我就能撬起地球。”

人类很难想象宇宙尺度的概念

人类很难想象如此巨大的质量是什么概念。然而,物理学家和天文学家却一直锲而不舍地继续完善这一看似无法衡量和绝对不可想象的测量。2019年底,一组研究人员公布了对银河系质量的一份新估算报告,报告估算了包括暗物质在内的银河系的总质量。

银河系的质量相当于8900亿个太阳

该报告显示,我们的银河系的质量相当于8900亿个太阳(其中大多数是暗物质,只有600亿的太阳质量来自于我们能看到的所有恒星和气体),最大或为1000亿个太阳。这些数字可能看起来难以理解,但都可以追溯到一种质量引起的相互作用力上。

但首先,我们需要弄清重量和质量的区别:质量和重量的本质上是两个不同的物理量,但它们又有密切的联系,它们是通过牛顿第二定律公式F=ma建立起来的。根据官方定义,“重量”描述了对物体作用的引力,它会因为引力场的变化而发生改变,但是质量并非如此,质量不会因为引力场的改变而发生改变,质量是恒定不变的。

那你可能会继续问,既然重力是因为引力,那质量是由什么引起的呢?如果我们把物质不断地进行切分,切到不可再分的粒子,那么物质的质量应该就是这些粒子质量的集合。

爱因斯坦的质能方程然而,当我们真的去这么做的时候才发现,这些质量只占了宇宙整体质量的不到1%。那99%的质量是从何而来呢?进一步研究的过程中,我们就需要了解一下爱因斯坦狭义相对论的质能方程部分,E=mc2。

这个方程其实就告诉我们一个事:质能等价。也就是说,质量和能量其实是同一个东西的两个物理量。所以一定的质量对应一定的能量,通过E=mc2可以进行换算。而物质99%的质量,来自于束缚夸克的强力所释放出的能量对应的质量。

研究人员真正追求的是质量这种恒量,然而,通过天文观测“称量”一个物体的质量,最终还要归结为测量物体与其他星球之间的引力。

01 地球有多重?

天文学家面对的第一个难题就是如何去对我们脚下的地球进行测量。早期的尝试是通过猜测地球的大小和密度,从而计算其质量。到17世纪,对地球直径及其体积的估计已经相当靠谱了,但是没有人能够确定密度——无论这个星球是由水还是岩石构成。然而后面的科学研究证明,大家都错了,因为这个星球实际上主要由金属组成。

卡文迪什和金属球实验

02 太阳和其他行星有多重?

质量的定义与两个物体相互引力的强度有关。因此,一旦牛顿和卡文迪什计算出了地球上重力的强度,从而得出了地球的质量,科学家们就拥有了对宇宙其他天体“称重”所需的工具。

通过公转周期可以计算出太阳系其他天体的质量

太阳对地球产生的引力使地球每365天绕太阳一周,因此就能计算出太阳的质量。同样,通过把太阳视为和其他太阳系行星匹配的天体,研究人员可以根据行星的公转周期计算其质量。同样也可以通过这种方法得出月球的质量。

但对小行星质量的估计仍然是基于对密度和体积的合理猜测。

03 银河系有多重?

正如可以通过观察地球围绕太阳运行的速度来推断地球的质量一样,研究人员也能通过星系的旋转和运行计算出星系的质量。

正是通过这些计算,科学家在20世纪70年代首次证明了暗物质的存在。希瑟·戈斯(Heather Goss)在Air and Space杂志中解释道,在我们的太阳系中,水星的运动速度比海王星快近九倍,因为它离太阳系绝大多数质量的来源更近。研究人员预计,类似的模式应该出现在其他星系中,即在星系中的远轨道的恒星运行速度比近轨道的恒星要慢。

宇宙中还有很多我们无法观测的暗物质这种关系在大多数星系中都成立,但科学家们也发现了一些例外。当距离超过一定限度时,天文学家发现螺旋星系边缘的恒星以惊人的相似速度运动着。科学家们追踪了恒星在螺旋星系边缘的运动,并确定每个星系中必须有多少物质才能让这些恒星在它们的轨道上运行。然后将在每个星系中的所有已知的“正常”物质(气体、尘埃和恒星)加起来,发现还远远达不到要求。

这意味着,还有第二种无形的质量来源也在拉扯它们。

但不管怎样,天文学家通过对恒星和星系的类比分析来衡量我们的星系质量。最近的研究利用了数据库中近3000个被追踪的天体,如围绕银河系中心的恒星,星团和气体云,计算出星系的质量。

04 宇宙到底有多重?

在宇宙的尺度,你很难找到一对旋转的参照物,因此并不能通过上述的方法进行计算。

宇宙的绝对大小是未知的,并且宇宙是在不断膨胀中,所以它的质量同样是不得而知的。但是,根据美国天文学家埃德温·哈勃的发现,距离地球较远的星系都在远离地球,离得越远,远离的速度就越快(注:在物理学和天文学领域,指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象,在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离,即波长变长、频率降低。20世纪初,哈勃发现,观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀,使天体发出的光波被拉长,谱线因此“变红”,这称为宇宙学红移,并由此得到哈勃定律),所以天文学家可以根据光在大爆炸和今天之间传播距离的对比,计算出可观测宇宙的体积的直径为930亿光年。

WMAP测量的明暗区域

但是,我们不太可能去通过计算宇宙中所有天体的密度来测量宇宙的平均密度。这次,科学家们使用了威尔金森微波各向异性探测器卫星(WMAP),测量了2001年至2010年宇宙中最早的光中的暖点和冷点。通过测量宇宙微波背景辐射图谱中显示为明亮和暗淡的区域,可以推测出宇宙的密度。因为物质对光施加引力,使其轨迹弯曲。当微波背景光子向我们传播时,它们的路径被宇宙中的物质弯曲了。宇宙中物质越多,光路弯曲的越多,天空中出现的振荡区域就越大。

通过使用上述的方法,科学家计算出了宇宙的年龄和组成,包括它的总体密度:大约为每立方米六个质子。

这个数字代表了宇宙的能量密度(因为物质和能量可以用爱因斯坦著名的质能方程来转换),所以它包括可见物质、暗物质和驱动宇宙膨胀的未知暗能量。根据这个指标,宇宙中可见物质约占5%,暗物质约占27%,暗能量约占68%。

宇宙中的物质分布

现在,科学家就可以同卡文迪什在1798年所做的那样,通过对体积和密度的估计,估计宇宙的整体质量大约是:

100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000千克。

夜空中最亮的10颗恒星是什么?

危楼高百尺,手可摘星辰。——李白《夜宿山寺》

每当夜幕降临,成千上万颗星星在漆黑的夜空下闪闪发光,在远离城市或任何其他光源的地方,我们不仅能看到漫天繁星,还能看到横跨整个天空的银河系暗带,以及周围一些模糊的星云。如:大小麦哲伦星云。
还记得小时候躺在麦秆堆里看星星的日子吗?其实我们那时在村里有着极佳的观天条件,没有光污染、没有大气污染,我们能看到肉眼能看到的一切天空特征。其中最让我们印象深刻的是,天空中的星星颜色各异,亮度不同,有些星星在天空中异常突出,成为天空中最亮的那一颗!今天我们就了解下天空中最亮的10颗星,以及它们为何如此明亮。
每一颗恒星都有自己的故事。

北斗七星
对于我们北半球的人来说,像北斗七星或仙后座中著名的“W”可能是我们小时候最先识别的星星图案,而对于南半球的人来说,南十字星可能是最著名和最常见的。然而,这些恒星都不在十大最亮的恒星之列!

南天十字
每颗恒星都有自己的生命周期,从诞生的那一刻起恒星的命运就已经注定。在每一颗恒星形成的过程中,氢是宇宙中最常见的元素,恒星的命运完全取决于所含氢的质量。一颗仅占太阳质量8%的恒星仍能在其核心点燃核聚变,将氢聚变为氦,能量最终转移到表面并释放到宇宙中。这些低质量的恒星由于它们的温度很低,所以呈现出暗淡的红色,并且能够缓慢地燃烧燃料,寿命最长可达万亿年,可以说与天同齐。

但是质量越大,恒星的核心温度就越高,核聚变发生的区域也就越大。当一颗恒星达到太阳质量的时候,就是一颗G级恒星,其生命周期不过是百亿年。如果质量是太阳的两倍,就是一颗A级恒星,有着明亮的蓝色,寿命不到20亿年。如果是质量最大的恒星(O级和b级恒星)核心耗尽氢燃料仅仅只有几百万年的时间。毫无疑问,更重、更热的恒星本质上也更明亮。一个典型的A级恒星的亮度可能是太阳的20倍,而最大的恒星可能是太阳的数万倍!
最终对于每一颗恒星来说,不管它是如何开始发光发热的,其核心都会在有限的时间内耗尽氢燃料。

当恒星氢燃料耗尽,就开始燃烧较重的元素,膨胀成一颗红巨星,虽然比最初的恒星更冷但光度更明亮。考虑以上的一切,那么天空中最亮的10颗星星是什么?让我们数一下。
10. 水委一(Achernar)波江座α星
一颗明亮的蓝色恒星,质量是太阳的7倍,亮度是太阳的3000倍,是人类已知的自转速度最快的恒星之一。由于其惊人的自转速度,赤道半径比极半径大了56%,而水委一两极表面的温度(因为离恒星的核心非常近)大约是10000开尔文。这颗恒星距离地球139光年,离我们非常遥远。因此在我们看来表观亮度不是很亮。

9. 参宿四(Betelgeuse)猎户座 α 星
参宿四是一颗位于猎户座的红超巨星,是一颗明亮、炽热的O级恒星,其氢燃料已经耗尽。尽管参宿四的最低温度约为3500开尔文。尽管参宿四距离我们约600光年,但它的亮度是太阳的10万倍以上,这意味着参宿四可以跻身十大最亮的恒星之列。在接下来的几百万年里,在某个时刻,参宿四很可能会变成超新星,成为天空中最亮的恒星而且很可能在白天可以看到。

8. 南河三(Procyon)小犬座α星
这颗恒星和我们目前看到的其他恒星非常不同。南河三是一颗不起眼的F级恒星,仅比太阳大40%,其核心已经耗尽氢元素,因此南河三是一颗正在进化的亚巨星。只有太阳亮度的7倍,但它离我们只有11.5光年远,因此可以超过我们夜空中以下七颗星星以外的所有星星。

7. 参宿七(Rigel)猎户座β星
参宿四在猎户座中并不是最亮的恒星;区别来自更遥远的参宿七。参宿七距离地球约860光年,但温度“只有”12000度,参宿七不是一颗主序星,而是一颗罕见的蓝色超巨星!其亮度大约是太阳的12万倍,参宿七之所以明亮并不是因为离我们很近,而是因为它本身就很亮。

6. 五车二(Capella)御夫座α
这颗星星很奇怪,因为它实际上是两颗红巨星,它们的温度和我们的太阳一样,但是每颗的亮度都是太阳的78倍。距离我们只有42光年,正是这种本质上明亮、相对较近的结合,以及有两颗恒星,才使得五车二进入了我们夜空中第6亮恒星。

5. 织女星( Vega)天琴座 α
织女星是夏季大三角中最亮的一颗星,也是电影《接触》中外星人的家园。距离我们只有25光年的织女星是一颗主序(烧氢)恒星,是我们所知的最亮的A级恒星之一,也是一颗年龄只有4到5亿年的年轻恒星。但是,它的亮度是太阳的40倍,因此它是天空中第五亮的星星!在北半球的所有恒星中,织女星仅次于…

4. 大角星(Arcturus)牧夫座α星
大角星是一颗橙色的巨星,从进化的角度来看,它位于南河车和五车二之间,是北半球最亮的恒星,沿着北斗七星斗柄的“弧线”顺势延伸出去很容易找到大角星。它的光度是太阳的170倍,随着不断进化,大角星的光度会越来越高!离我们只有37光年远,而且在南方的天空中也只有三颗比它亮的星星。

半人马座阿尔法星(L),半人马座贝塔星(第11亮)和南十字星。

3.南门二(Alpha Centauri)半人马座α星
半人马座α星实际上是一个三合星系统,半人马座阿尔法星的主要成分与我们的太阳非常相似,本质亮度上是前10名中最暗的恒星。但是半人马座阿尔法星系是由宇宙中离我们最近的恒星组成的,离我们只有4.4光年远,所以它所处的位置是它看起来如此明亮的原因。这和榜单上排名第二的星星完全是两码事。

2. 老人星(Canopus)船底座α星
老人星是一颗青白色的F型超级巨星,亮度是太阳的1.5万倍,是夜空中第二亮的恒星。它的质量是太阳的10倍,体积是太阳的71倍,但是距离我们310光年远!相反,夜空中最亮的星星是……

1. 天狼星A(Sirius A)大犬座主星
天狼星A的亮度是老人星的两倍。在冬天,北方的天文观测者经常能看到在猎户座后面升起的蓝色天狼星。距离我们只有8.6光年远,是一颗A级恒星,质量是太阳的两倍,亮度是太阳的25倍!
总结
从以上最亮的恒星我们可以看出,并不是最亮或最近的恒星占据了天空中最亮恒星的榜单,而是足够亮和足够近这两个因素组合在一起才能在我们的夜空中更为突出。两倍距离的恒星,亮度会降低四分之一,因此天狼星比老人星更亮,比半人马座阿尔法星更亮等等。但是从这个列表中你永远也猜不到的是,宇宙中每四颗恒星中就有三颗是根本不在这个列表中的主序M级红矮星。
以上就是天空中最亮的恒星之一,以为为什么它们能在我们的天空中如此突出!

旋转木马   

 有个男生,单恋心中的女神很久,暗示多次,女神都没反应。一天,他再次暗示了一下,女神终于主动约他去公园玩。   

 到了公园,女神只和他坐了一次旋转木马,就说有事离开了。尽管如此,男生还是很高兴,他发短信给女神,问:“你和我坐旋转木马,是说我们的关系像童话那么纯洁、美好吗?”不一会儿,女神回复了短信:“不,我是想让你明白,你永远也追不到我。”    


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