银河星系在宇宙中的坐标

第二节　宇宙的结构

对气球上的蚂蚁来说，气球就是它的整个“宇宙”，它不论沿哪个方向爬行，都永远爬不出这个“宇宙”。蚂蚁觉得它的“宇宙”是无界的，人类却知道它的“宇宙”其实是有限的。

一、宇宙的构成

宇宙万物由各种粒子组成，不同数目的质子和中子相结合形成不同的原子核，原子核与其外围的不同数目的电子又组成不同的原子，原子再组成分子，分子又构成宇宙间千差万别的物体。宇宙天体绚丽多彩，人类对宇宙的认识始于地球，再到太阳系，进而延伸到银河系，最后扩展到河外星系、总星系……在太阳系内有太阳、行星、小行星、卫星、彗星、流星体、行星际物质等，在太阳系外有众多的恒星、星团、星云、星际物质，以及银河系外的各类星系、星系际物质、星系团，乃至尺度更大的天体系统。宇宙中的天体种类繁多，但却表现出了极高的层次性。

（一）行星与太阳系

人类居住的地球就是众多天体中的一员，是太阳系的八大行星之一。八大行星日夜不停地绕着太阳旋转，除了水星和金星外，其他行星各有为数不等的卫星绕之运行，月球就是地球唯一的天然卫星。在太阳系中，有66颗像月球一样的卫星、数以千计的神秘彗星、数以万计的小行星、难以计数的流星体和行星际物质等，它们与八大行星一起构成了太阳系。较之宇宙中的其他天体，它们都是离我们较近的、我们了解较多的天体。虽然太阳系的成员众多，可它们所占的宇宙空间直径还不到120亿千米。

太阳系

（二）恒星和银河系

在晴朗的夜晚，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，它们绝大多数是恒星，我们银河系内就有2000多亿颗恒星，它们和太阳一样，是本身能发光发热的星球。它们常常喜好“群居”并按照一定的规律绕转，有的是“成双成对”地紧靠在一起，被称为双星；有的是3颗、4颗或更多颗聚在一起，被称为聚星；还有一些10颗以上，甚至成千上万颗成团状地聚在一起，被称为星团，仅在银河系内发现的星团就有1000多个。

银河系

在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星——变星，它们有的很有变化规律，有的则没有规律可言，现在已被发现的变星约有2万多颗。

太阳和另外数千亿颗恒星连同它们的行星系统，以及众多的星云和星际物质，共同构成一个庞大的天体系统，即银河系。对银河系的认识，是人类在越来越大的尺度上对宇宙结构建立立体观念的一个重要发展，它包含双重含义，一是了解银河的形状，二是认识河外天体的存在，并建立比恒星更大的层次——星系。

银河系是太阳系所属的一个庞大的恒星集团，大约包括大量恒星及星团、星云，以及各种类型的星际气体和星际尘埃，这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星的分布呈扁平的盘状，盘的直径为25千秒差距（1秒差距≈3．26光年≈3．09亿亿千米），厚度约为2千秒差距，盘的中心有一球状隆起部分叫核球。盘的外部有4条旋臂，太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7千秒差距。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称为银晕，银晕的总质量约占整体的10%，直径约为30千秒差距。太阳，就其光度、质量和位置讲，都只是银河系中极普通的一员。

（三）河外星系与总星系

值得注意的是，苍穹中并非一切发光体都属于银河系，银河系也并非宇宙的尽头。设想在500千秒差距的距离上（银河自身大小为30千秒差距）有一个类似于银河系的恒星集团，其表观亮度与处于2秒差距处的一颗类似太阳的恒星是一样的，这样的错觉会让我们认为这个恒星集团就是一颗属于银河系的恒星。因此，对于苍穹中的某个光点，只有在准确测定了它的距离后，我们才能区分出它是银河系内的恒星还是银河系外的星系。对于苍穹中的多数光点来讲，它们是属于银河系的，但也有相当大量的发光体是属于银河系外的，我们称之为“河外星系”，著名的仙女座星系、大小麦哲伦星系就是肉眼可见的河外星系。现在天文学家已发现的河外星系超过了10亿个，每个河外星系都包含几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星，以及大量星系和星际物质，所有的这些河外星系构成了更为庞大的总星系。星系的普遍存在，代表了宇宙结构中的一个层次。

M81星系

20世纪60年代以来，天文学家还发现了一种在银河系外类似恒星的天体，它们距离地球约200亿光年，表现为一个光点，在光度和质量上又和星系一样，天文学家将其称为类星体，至今已发现了数千颗这样的天体。

（四）星系团与大尺度结构

以星系为基本单元构成的天体系统，按成员星系数目由少至多依次被称为星系群、星系团和超星系团，后者的尺度常达上亿光年。20世纪后期人们又揭示了极大量星系构成的“巨臂”等更大尺度的特征，把10兆秒差距以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是10⁴兆秒差距），但在大尺度上的观测事实远未明确。

由新升级的“哈勃”太空望远镜拍摄的首个被确定为紧密星系团的“斯蒂芬五重奏”

有迹象表明，星系在大尺度上的分布或呈泡沫状，即有许多看不到星系的“空洞”区，而星系则聚集在“空洞”的壁上，呈纤维状或片状结构，这一层次的结构就是超星系团。从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。这一观点是否符合事实？这一尺度究竟有多大？这些问题都是需要由大尺度的观测结果来给出答案的。现如今，对宇宙在50兆秒差距以上是否还有显著的结构现象存在，已成为人们热议的焦点。现在看来，直至50兆秒差距的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构，这就是目前人类对宇宙面貌的基本认识。

二、宇宙的特征

宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是一切空间和时间的综合。一般理解的宇宙，指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。

（一）宇宙的形状

宇宙的形状现在还是未知的，人类在大胆想象。有的人认为宇宙是一个类似人的某种生物的小细胞，而也有人认为宇宙是一种拥有比人类更高智慧的电脑或生物所制造出来的一个程序或是一个小小的原件，还有人认为宇宙是无形的。

人们曾通过物理、数学、哲学等各种方法来研究宇宙，然而对于宇宙到底是什么样子的，并没有形成一致的看法，而对于探索宇宙形状的基础主要有以下三个理论。

1空间是弯曲的

广义相对论很好地解释了物质和能量之间的关系，还给出了一个重要结论：空间是弯曲的——太空中的星体之所以绕着椭圆轨道运行，并不是因为引力作用，而是由于空间是弯曲的，使得直线最终变成了闭合的圆圈。

2引力论

引力论认为，物质的每一个粒子间都是具有吸引力的，无论它有多么小，并且粒子和粒子之间的引力与粒子的质量成正比，与它们之间的距离平方成反比。对质量非常大的物体来说，它对其他物体所产生的引力也是巨大的。如果大爆炸理论是正确的，宇宙开始形成的时候肯定伴有巨大的能量爆发，从而将物质快速抛出遥远的距离，并且这些能量必须大到足够克服宇宙中所有物质的引力。目前，宇宙学家正试图计算出宇宙中到底有多少物质。如果物质足够多的话，引力效应就会逐渐减弱并阻止宇宙膨胀，最终，宇宙就会缩小为另一个奇点，这一理论称为大坍缩。但如果物质不够多，引力也就不够强，根本无法阻止宇宙的膨胀，宇宙就会无限膨胀下去。

空间是弯曲的

3大爆炸理论揭示了宇宙的起源

天文学家通过长时间的观测分析，得出宇宙在不断膨胀的结论。他们探索并研究了其他天体数十亿年之前发出的光线，在这些光线发出时的宇宙还很年轻。科学家将观测结果理论化，认为物质和能量通过爆发在极短的时间内就被抛到了百万光年之外的地方。这些被抛出的物质和能量，成为现在我们所了解的宇宙的一部分。也就是说，当初宇宙中的一切物质和能量都集中在一个极其微小的点上，这个点突然爆发，便形成了我们现在所见的宇宙。

宇宙在理论上应该是什么样子的呢？科学家根据曲率的不同建立了三种宇宙模型，分别展示了不同曲率下的宇宙可能的形态。

零曲率模型是在一个平面上或者欧几里得空间上描述宇宙，一个欧几里得的空间就是一个平面，在一个平面内才有可能出现平行线。平面宇宙中有足够的物质支持宇宙无限膨胀，不会出现坍缩，而膨胀的速度则随着时间减缓。

在负曲率模型下，平面上平行的两条线可能彼此远离。宇宙学家将负曲率的宇宙模型称做开放的宇宙。在开放的宇宙模型中，宇宙将无限地膨胀下去，因为没有足够的物质来阻止或减缓其膨胀。对于负曲率模型，最常见的描述就是马鞍形。

正曲率模型所描述的宇宙是封闭的宇宙。在正曲率宇宙模型中，不可能出现平行的测地线，两直线必然会在某一点相交。因为封闭的空间是有限的，在膨胀到一定程度后就会坍缩。正曲率的宇宙模型是球体。

那么，宇宙的形状是不是就是平面、球体或者马鞍形中的一种呢？也不一定。除了这三种宇宙模型之外，还有其他描述宇宙的形状的理论。其中的一个认为宇宙是三重环面形状。初看时三重环面就是普通的立方体，但每个平面都和对面的平面相连。还有的理论认为宇宙呈现一种喇叭形。

总之，对宇宙形状众说纷纭，相关的理论也五花八门。虽然人们现在无法确定宇宙的确切形状，但正是对未知事物的求索才使研究本身充满了神秘感。

（二）宇宙的大小

通过天文学家们的观测发现，大爆炸可能发生在100亿年前，也可能发生在200亿年前，或者是发生在100亿～200亿年前的某个时刻。人们使用高倍的射电望远镜已经搜索到了200亿光年以外的类星体——天狼巨星，这是目前人类实际观测到的最远的星体，也是人们认识宇宙的最大范围，但它肯定还不是宇宙的实际边缘。

M31包含1万亿颗恒星，是我们这个微小的宇宙区域里最为庞大的星系，在寻找遥远宇宙爆炸现象的“雨燕”卫星，把强大的紫外望远镜对准宇宙中的这个近邻时，它非常幸运地捕捉到这张令人震惊的图片

人们把利用现在的科学技术所能了解和观测的宇宙，称为“我们的宇宙”。“我们的宇宙”是宇宙作为一个点诞生、开始向外迅速膨胀以来，光所通过的空间。也就是说，我们所处的宇宙的大小，是一个以地球为中心，以200亿光年为半径的球形空间。当然，这只是就人类目前的观测能力所作出的推测。地球很可能并不是宇宙的中心，宇宙也不见得是一个球体。理论上讲，实际的宇宙比这个可见的宇宙要大得多。

只要做一道简单的数学题，就不难了解到，已经观测到的宇宙有多大。目前，人们在这个以200亿光年为半径的球形空间里，发现和观测到的星系超过1200亿个，而每个星系又拥有几百颗到几万颗像太阳这样的恒星。科学家们作了推算，130万个地球的体积仅相当于太阳的体积，而在银河系中与太阳相当的恒星多达2000多亿颗。宇宙空间非常广阔，单是地球所在的银河系跨幅就有10万光年。如果把宇宙看作是一个半径为1千米的大球，那么银河系只有药片大小，而且位于球心附近。宇宙中有不少于10万个大大小小的银河系一样的大星系。

对常人而言，度量浩瀚的宇宙几乎是不可能的。对天文学家来说，较为精确地测绘宇宙天体却是可能的。通过古希腊人发明的视差计算法，可以测量出太阳系的其他行星或附近的恒星的距离。用这种视差法测量相距8．6光年以内的天体，其结果非常准确，测量距离1000光年的天体也可做到大体准确。测量恒星距离的方法还有亮度测定法，即把一颗星发出的光亮度与另一颗已知距离、活跃程度相似的星体进行比较，就能测量出这颗星与地球之间的距离。

几十年前，大多数天文学家都认为银河系就是整个宇宙，在它之外什么也没有。后来，当精确度更高的天文望远镜问世后，这种看法便被证明是错误的。过去观测到的那些黯淡模糊的斑点，其实是其他的星系。这些星系有的与银河系不相上下，有的则更庞大。

根据最新的科研成果，宇宙中的星体数量大约为3×10²³个，宇宙实在是太大了。宇宙的半径大约为137亿光年。宇宙大爆炸之后残留的背景微波辐射中的波纹，揭示出宇宙两头至少相距280亿光年。

时至今日，宇宙有多大这个问题还无法解决。以上对于宇宙大小的说法，都只是科学家根据一些科学的方法推算出的。不过，相信随着科技的进步，对宇宙大小的推算将会越来越精确。

（三）宇宙的颜色

万物都有颜色，宇宙也应该是有颜色的。那么，宇宙是什么颜色的呢？回答这个问题的最好办法就是到宇宙的外面，去看一看它到底是什么颜色的。

太阳的颜色

人们通常会说，太阳是橙黄色的。但如果问国际空间站的航天员，他们会坚持认为，太阳就像雪一样白。这种说法让生活在地球上的人们大吃一惊。而航天员们的观点是正确的，因为地球的大气层散射了太阳光的一些蓝色成分，于是天空呈现出天蓝色。白色的太阳减去蓝色，剩余的颜色混合在一起便表现为橙黄色。但即使是空间站的航天员们也未能感知到太阳真实的颜色。白色只是人的视网膜对组成彩虹的各种颜色的刺激所产生的反应。通过对玻璃棱镜折射光的光谱以及对彩虹的分析，在组成太阳光的所有颜色中，最亮的颜色是绿色，因为绿色是太阳能量输出最强的波段。

人类所处的太阳系内的行星有着各异的色彩。木星像是一个七色的彩球，海王星和天王星呈现蓝绿色，火星则有着铁锈赭色、橘红色的表面。

太阳发出的可见光为综合颜色的光，根据波长的不同，光可分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色。

很久以前，人们就一直试图解释为什么夜空是黑色的。因为，如果宇宙中充满了无数分布均匀的恒星，那么无处不在的恒星应该像黑夜里的灯光一样亮，把夜空照得如同白昼。这就是著名的“奥伯斯佯谬”。那为什么人类看到的宇宙是黑色的呢？

宇宙的颜色

人看到物体有颜色，是因为那个物体上有光线反射进入人的眼睛。人之所以看到黑色的物体，就是因为那个物体没有任何光射入人的眼睛。而在宇宙空间中，灰尘稀少，气体非常稀薄，虽然宇宙空间中有光线通过，但光线会直接穿过，几乎没有反射。因此，我们就看不到任何东西，那么宇宙就呈现出黑色了。

整个宇宙的可见光光谱，应该是所有星系光谱的总和，星系的可见光光谱就是所有恒星的可见光光谱的总和。按理宇宙的颜色应是白色的，但由于恒星的年龄和温度的不同，恒星可见光的颜色有红、黄、蓝等颜色，因此宇宙不会是白色的。

2002年，美国霍普金斯大学的两位科学家格莱兹布鲁克和鲍德里在美国天文学会举行的一次会议上宣布，他们对2万个银河系的星系进行了研究，并对它们的颜色进行了综合平衡。通过分析这些星系所发出的光谱，发现宇宙呈现出的颜色是比淡青绿色更绿一点。

这次天文学会议后，一些科学家指出，格莱兹布鲁克等人所用的计算机程序中存在问题，导致对宇宙颜色的判断不准。颜色工程师后来检查数据时发现了这个问题。

海绵状的蟹状星云是超新星爆炸时产生的残留物，它主要由电离氢分子和氦构成，同时还包括碳、氧、氮和其他原子，使得其呈现纷繁的混合色彩

原来，格莱兹布鲁克和鲍德里用来分析宇宙颜色的计算机程序中，参考了白点（白点指的是在特定照明环境下人眼所看到的最白光线，它会随着施加的环境光照不同而发生变化）的设定存在问题。他们所用的程序，错误地采用了偏红的参考白点，使计算机选择了非标准的白色，并把它跟其他颜色混成青绿色。这就好比是在一个红光照明的房间里去观察宇宙，结果使人看到一个青绿色的宇宙。

要想讨论真正意义上宇宙的颜色，应该把观看者置身于一个黑暗的背景中。格莱兹布鲁克和鲍德里承认了错误，并邀请了社会各界为确定宇宙颜色出谋划策。他们共收到了300多人发来的电子邮件，这些建议五花八门，包括大爆炸米色、宇宙白色、银河金色、天文杏仁色等等。最后，牛奶咖啡色脱颖而出，成为获选者。

科学家们认为，如果牛奶咖啡色的描述是正确的话，那也只是宇宙当前的颜色。而宇宙的颜色随着年龄的变化也会有变化，就像植物果实由青变黄或变红、变黑一样。

（四）宇宙的温度

在整个宇宙中，温度无处不在。无论在地球上还是在月球上，也无论是在炙热的太阳上还是在冰冷的冥王星上，由于空间位置和自身构造的不同，不同的星体之间存在着温度的差别。例如，太阳表面温度是6000摄氏度，而离太阳较远的冥王星的表面温度却低达－240摄氏度。在夜晚的星空中，牛郎星与织女星只是闪烁的小亮点，但让我们想不到的是，牛郎星的表面最高温度竟达8000摄氏度，织女星的表面最高温度更是达到10000摄氏度以上。

人们在现实生活中比较熟悉的温度范围是－90摄氏度到61摄氏度，即地表的气温变化范围，其实在宇宙中还有很多已知的重要温度，只是人们不熟悉而已。

宇宙微波背景辐射（－270．15摄氏度）是“宇宙大爆炸”所遗留下的布满整个宇宙空间的热辐射，反映的是宇宙年龄只有38万年时的状况，温度值为接近绝对零度的3开。最令人称奇的是，科学研究发现，宇宙微波辐射在所有地方都保持相同的温度。宇宙两端的距离相隔280亿光年，因为没有任何东西可以比光速更快，热辐射不可能在宇宙大爆炸后以2倍光速穿越280亿光年的距离，达到现在的热平衡。科学家们至今无法解释这种宇宙中热平衡的现象。

绝对零度

热力学温度的单位为开尔文，符号为K或开。绝对零度（0开）即绝对温标的开始，是温度的极限，相当于－273．15摄氏度。研究发现，温度降低时，分子的活动就会变慢，当降到绝对零度时，所有的原子和分子热运动都将停止。绝对零度是一个只能逼近而不能达到的最低温度。人类在1926年得到了0．71开的低温，1933年得到了0．27开的低温，1957年创造了0．00002开的超低温纪录。目前，人们甚至已得到了距绝对零度只差三千万分之一度的低温，但仍无法得到绝对零度。

在寒冷的宇宙空间，星际尘埃的温度可低达－260摄氏度。

冥王星从太阳上所接收到的光和热，只有地球从太阳上得到的几万分之一，因此，冥王星上是一个十分阴冷黑暗的世界。冥王星上的最高温度是－210摄氏度，最低温度是－240摄氏度。除冥王星以外，海王星也可达到－240摄氏度。因为距离太阳遥远，天王星表面显淡蓝色，大气层云上端温度约在－220摄氏度。

离太阳最近的水星与太阳的平均距离约为5790万千米。因为没有大气的调节，水星表面温差最大，面向太阳一面的温度最高时可达430摄氏度，但背阳面的夜间温度可降至－160摄氏度，昼夜温度差接近600摄氏度。

木星离太阳较远，它的成分绝大部分是氦和氢。表面温度达－150摄氏度；木星内部散发出来的热是它从太阳接收热的2倍以上。

太阳大气中有90多种化学元素，其中氢的含量最多，约占太阳质量的71%，氦约占27%，其他元素包括钠、钙、铁、氧等约占2%。正因为这些化学元素每天都在制造核爆炸，放出大量的光和热，使得太阳的表面温度高达6000摄氏度，给地球带来温暖。

三、宇宙的中心

地球在宇宙中处于怎样的位置？宇宙有没有起源？几千年来，人类观察宇宙的手段从肉眼发展到望远镜，进而是人造卫星。人类的视野也从太阳系扩展到银河系和河外星系。人类对宇宙的认识方式从幼稚的神话，简单的猜想，到20世纪的现代宇宙学。

公元140年，埃及的希腊裔天文学家托勒密创立了“地心说”，他认为地球是宇宙的中心。托勒密地心宇宙体系对人类作出的贡献是，在一定程度上解释和预测了行星相对于恒星背景时而向东、时而向西的复杂运动。

16世纪时，波兰天文学家哥白尼沿袭了托勒密体系中行星以匀速作圆周运动的思想，但他认为是地球绕太阳，而不是太阳绕地球旋转。这恰恰与托勒密的观点是相反的。哥白尼认为如果宇宙是以太阳为中心，那么其他天体也一定都是围绕太阳旋转。哥白尼的日心体系被历史学家称为“开启了宇宙学革命性的一刻”。哥白尼的日心说改写了延续千年的托勒密宇宙模型。

哥白尼去世后，又过了半个多世纪，德国天文学家开普勒为太阳中心说找到了新的证据。1609年，开普勒在《新天文学》一书中宣布，行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动的。这一发现，打破了天体必须作匀速圆周运动的传统观点。他的这一成果，借助了丹麦天文学家第谷留下的精密观测资料。

几乎与此同时，意大利物理学家伽利略通过其自制的望远镜观察，对宇宙是由完美的圆形和球形组成的看法提出了怀疑。伽利略摒弃了这种唯美主义的天体运行说，因为在事实上，在伽利略观察到的、比较近的天体上都可以看到存在某种缺陷。比如太阳有“黑子”，月球上面布满了陡峭的环形山，并不像想象中的那么平滑。

地心说被教廷奉为和《圣经》一样的经典

伽利略随后观察了水星与火星。伽利略对木星投入的精力最多，他从1610年1月起连续观察木星，并有了一个惊人的发现。伽利略发现，在木星周围有4个暗弱的星体在围绕着它运转。这是人类第一次发现有天体围绕着不是地球的行星在运行。后来，这4颗卫星被称为“伽利略卫星”，它们的发现，使得地球是宇宙中心的说法再也说不通了，这宣告了托勒密地心宇宙体系的终结。

开普勒的发现和伽利略的观测结果，都为哥白尼日心说提供了直接的证据。但究竟是什么力量在维系行星的运行，人们对这个问题仍然没有答案。后来，牛顿发现，是万有引力维系着月亮围绕地球、行星围绕太阳运行。这使得哥白尼的日心体系有了坚实的理论基础。

哥白尼博物馆

在伽利略发明望远镜后，对宇宙的观测技术日新月异。而在望远镜的发展过程中，牛顿作出了巨大的贡献。牛顿对伽利略的望远镜进行了改良，他在望远镜里加了一片平面的反光镜，这使得镜筒在变短的同时，可以观察到更清晰的图像。后来出现的巨型望远镜，就是在牛顿改良望远镜的基础上发展起来的。

1859年，英国天文学家哈金斯用一台装有高色散分光仪的20厘米望远镜，开始观测一些亮星的光谱，并从中分析得出了钠、钙、镁等化学元素的谱线。后来，他利用多普勒效应，首次利用谱线的微小位移测出了天狼星的视向速度。

哈金斯对太阳光谱中构成谱线的化学元素进行了分析，试图了解太阳和恒星的构成成分。哈金斯得出太阳和恒星主要是由氢和氦构成的结论。因为他发现，在太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。这一发现说明了太阳和普通的恒星没有什么差别。

随着科学的进一步发展，人类也认识到，地球不是宇宙的中心，太阳同样不是宇宙的中心。太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都绕着银核旋转。那么宇宙有中心吗？宇宙是否有一个让所有的星系围绕的中心点？

按理说不管宇宙有多大，它都应该有中心存在，但考虑到宇宙不仅包括普通的三维空间，还包括第四个维度——时间。由于宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的。经过了亿万年的时间，随着宇宙的不断膨胀，宇宙的中心在不断地变换。正是由于时间维度的加入，使得我们把握宇宙的中心几乎成了一件不太可能的事情，虽然知道大概有那么一个中心点存在，但却无法确切地说出这个点在何处。

就人类目前所认识的程度而言，宇宙是没有一个确定中心的。人类在历史进程中，随着认识水平的变化，在之前的一些历史阶段都给出了宇宙的中心。而这些中心的确立，都跟当时的宇宙视野有关，而宇宙视野总是随着天象观测实践活动的逐步深入而不断扩大。

四、宇宙的寿命与归宿

（一）宇宙的寿命

人和动物有寿命，难道宇宙也有寿命吗？宇宙的寿命指的是什么？又是如何推算出来的呢？宇宙的寿命也会不断增加吗？

在通常的宇宙演化模型里，宇宙寿命指宇宙标度因子为零起到现在时刻的时间间隔。通常，哈勃年龄是宇宙寿命的上限，可以作为宇宙寿命的某种度量。

有科学家利用望远镜观察最老的星球上的铀光谱后，估算出宇宙的寿命是125亿年，然而根据大爆炸宇宙模型推算出的宇宙寿命大约为200亿年。

也有科学家利用哈勃望远镜对距离地球大约7000光年的天蝎座中的一群球状星球体进行了研究。据称，这个星球体是宇宙当中年代最久远的星球结构，是在宇宙大爆炸后大约10亿年形成的。科学家表示，上述星球体当中有很多是矮星，这些星球表面温度降低的比例可以预测，而这一比例正是计算宇宙寿命的关键。最终，科学家计算出上述星球大约形成于130亿年前，加上宇宙大爆炸后的10亿年，科学家认为宇宙形成于140亿年前。

2001年，科学家观察了一颗名称为CS31082001的星球，并通过量度星球上放射性同位素铀238的光谱，计算出这颗星球的年龄是125亿年。

NGC6559完美诠释了星球生命周期的第一阶段，类似于一条恒星生产线，星际间分子云瓦解产生新恒星，然后新的恒星逐渐将剩下的气体和尘埃推走

有科学家曾经尝试利用钍232同位素来估计宇宙的年龄，但钍的半衰期是140．05亿年，半衰期比铀238的长，因此误差也比较大。

德国科学家通过研究发现，宇宙深处的一个类星体上铁物质含量要远多于太阳系中任何一个星体。天体中铁物质的形成需要极为漫长的时间，在与太阳系天体中铁物质含量对比的基础上，他们由此提出宇宙的年龄可能要大于此前估算的125亿年。

2004年，美国国家航空航天局公布了“威尔金森”各向异性微波探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这些照片，科学家测量出了宇宙的实际年龄为137亿年。

2006年，天文学家称，宇宙的寿命可能比原先设想的还要多20亿年。科学家们已发现一个比原先预想还要远15%的邻近星系，这意味着宇宙的寿命可能少估计了15%。

美国华盛顿卡耐基研究所的博南斯与他的同事已经观测到在银河系的“邻居”三角座星系中有一颗正逐渐变暗失色的双星。观测这两颗星星互相黯淡的过程，使天文学家忽略两颗星星的大小和它们释放的能量，通过比较观测到的亮度揭示它们和地球间的距离，科学家们测算出三角座星系（M33星），距离地球大约300万光年，比人们通常认为的260万光年远了15%。如果300万光年这个数据得以确定，这暗示着更远的星系都将比原先远15%，而宇宙的大小、年龄都是以星系距离为基础的，因此宇宙的年龄很可能要从137亿年增至157亿年。

（二）宇宙的归宿

宇宙的归宿一直是一个困扰人类的难题。除了科学家们在进行不断的研究，哲学家们也为此争论不休外，不同的宗教派别对此有不同的说法。今天，越来越多的证据显示宇宙起源于大爆炸，并且使人们对宇宙的过去了解得更为清楚，但是对于宇宙的未来，这个大多数人更为关注的问题，科学界的研究仍然进展缓慢。

当宇宙不断膨胀时，宇宙中所有物质的引力会导致出现一种减缓膨胀的倾向。如果这种引力足够强，那么膨胀将停止并开始收缩；如果这种引力不够强，那么膨胀将持续下去。

宇宙的命运到底会怎样呢？

要想知道这个问题的答案，最直接的方法就是称一下宇宙的质量，但由于没有人知道宇宙中究竟有多少物质，因此无法算出宇宙的质量。然而星体、星系是可见的，所以比较容易计算。通过测量所有星体、所有星系的质量，计算它们所产生的引力，然后与宇宙的膨胀率作比较。如果宇宙正以逃逸速度膨胀，正如火箭以逃逸速度离开地球一样，那么就不会有大坍缩发生。尽管如此，自从20世纪30年代以来人们就知道宇宙中还存在一些看不见的物质——暗物质，正是这些暗物质的存在，对人们研究宇宙的质量造成了很大的障碍。

最完美的环状星系

科学家们对宇宙中各种星系的运动情况进行了测量。测量结果显示，所有星系中星体的运动速度几乎都不随半径而改变。宇宙的加速膨胀意味着真空中包含着大量能量，就算把当前能够观测到的宇宙结构——包括星系、星系团和超星系团等，全加在一起所含能量也仅相当于真空能量的三分之一。

根据牛顿定律可知，在星系周围的空间中存在着看不见的物质，即暗物质。科学家们尝试通过测量宇宙的膨胀速度是否减慢以及减慢了多少来研究暗物质是否存在。1995年，澳大利亚蒙特斯特罗姆观测台的年轻天文学家斯米特的研究小组对此进行了研究。为了测量出宇宙膨胀的减慢速度，即所谓的减速参数，就要先看一看附近的宇宙并测量一下它的膨胀速度。然后，再对更远的宇宙做同样的事情，最后将两者作比较。与此同时，美国加利福尼亚劳伦斯—伯克利实验室的玻姆特领导的研究小组也在进行类似的研究工作。他们都在寻找一种Ia型的超新星的爆发，爆发发生于一个老年恒星结束它的生命之时。Ia型的超新星不仅非常亮，而且很容易计算出它们与地球的距离。只要测量出这些超新星与地球的距离，并测量出它们的退行速度，就可以知道宇宙在不同时期的膨胀速度了。

在引力的作用下，宇宙的膨胀速度应当减慢很多或一点，这取决于宇宙中含有的物质量。由此推断出，更远的超新星与较近的相比应当显得比所期望的更亮，但1998年，这两个研究小组都发现，事实上它们更暗，好像宇宙正在加速膨胀。最终，两个研究小组得出了相同的惊人结论，并同时宣布了结果：宇宙正在加速膨胀。这一结果也暗示宇宙中确实存在某种具有反引力效应的暗能量，它们迫使星系间更快地分离。由于宇宙微波背景辐射中的不均匀性同样暗示了暗能量是真实存在的，因此斯米特和玻姆特这两个研究小组的结果就更令人信服。这一发现获得了美国《科学》杂志1998年的年度科学发现奖。这一结果使人们认识到，暗能量将对宇宙的未来产生巨大的影响。

一些美国科学家对宇宙未来的景象进行了预测，他们认为宇宙死亡和重生的循环是很可能的。当现在的人类文明消失，我们所处的星系死亡，甚至宇宙毁灭的时候，下一个宇宙的诞生和发展也许会重现我们过去、现在和未来的一切。或者当宇宙中出现某种完全不同的物质时，宇宙将以另一种完全不同的方式终结。