宇宙究竟有多空曠?很可能超乎你的想象

天空之城 2022/07/02 檢舉 我要評論

相信大家都知道,我們所處的宇宙很空曠,但如果要問,宇宙究竟有多空曠呢?估計有不少人就沒有具體的概念了,實際上,宇宙的空曠程度之高,很可能超乎你的想象。要說明宇宙到底空曠到了什麼程度,我們不妨從地球和月球開始講起,通常情況下,我們會將地月系統想象成這樣:

但實際情況卻并非如此,因為地月平均距離約為38萬公里,而地球的半徑約為6371公里,月球的半徑則約為1737公里,所以地球和月球的真實情況應該是這樣子的:

可以看到,在地球和月球之間存在著比想象中空曠得多的空間,那這片空間里可以放下什麼呢?

是的,僅僅是在地球和月球之間,就可以放下太陽系中除了地球之外的所有行星。說完了地月系統,我們再來看看太陽系,先上圖。

這張圖的第1部分的最外層是木星的運行軌道,第2部分的最外層是冥王星的運行軌道以及柯伊伯帶(Kuiper belt),第3部分的最外層的紅色軌道屬于小行星塞德娜(Sedna),其近日點距離太陽約76個天文單位,遠日點距離太陽約937個天文單位。

第4部分的最外層就是奧特星云(Oort Cloud),其內邊緣距離太陽2000至5000個天文單位,外邊緣與太陽的距離大約有1光年,飛出了這個范圍,就可以認為是飛出了太陽系。

需要知道的是,太陽占據了整個太陽系大約99.86%的質量,而在剩余的質量中,絕大多數都被八大行星以及它們的衛星所占據,至于運行在太陽系中的小天體,其實比想象中的要稀疏得多,就算在小天體「密集」的小行星帶之中,各個小天體之間的平均距離也高達77萬公里左右(比地月距離還要遠得多)。

看到這里,相信大家對太陽系的空曠已經有了具體的概念,好的,我們再來看看銀河系。

銀河系中的恒星分布得非常不均勻,具體表現為,距離銀河系中心越遠,恒星的密度就越低,在銀河系的核心區域,恒星密度最高可達每立方光年28.9萬顆,而在距離銀河系中心100秒差距(約326光年)的位置,恒星密度就下降到每立方光年2.9顆。

到了我們太陽系所在的區域,恒星密度已降至每立方光年0.004顆,而在銀河系的邊緣區域,恒星密度更是低至每立方光年0.0003顆,綜合計算下來,整個銀河系的恒星平均密度大約為每立方光年0.006顆,也就是說,在銀河系中,大概每167立方光年才有一顆恒星,恒星與恒星之間的平均距離大約為5.5光年。

為了方便理解銀河系的空曠程度,我們不妨假設有兩顆與太陽一樣大的恒星,它們之間的距離為5.5光年,在此基礎上,假如我們把這兩顆恒星縮小成一個足球那麼大,那在按同等比例縮小后,這兩個「足球」之間的距離大概就有8223公里。

觀測數據表明,宇宙中的其他星系的空曠程度也與銀河系差不多,更重要的是,宇宙中星系與星系之間的距離動輒就是幾十萬、幾百萬光年,而在星系之間的廣闊空間里物質極為稀少,幾乎是一片虛無。

除此之外,宇宙中還存在著很多「宇宙空洞」,其中的星系數量極為稀少,或者根本就沒有星系。

這些「空洞」的跨度通常都很大,有的「空洞」甚至大得超乎你的想象,比如說在牧夫座方向距離地球大約7億光年的位置上,就存在著一個直徑約為2.5億光年的「牧夫座空洞」,其跨度大約占到了整個可觀測宇宙的0.26%。

宇宙中的星系分布本來就已經非常稀疏了,「宇宙空洞」的存在則進一步增加了宇宙的空曠程度,而正如前文所言,星系本身就非常空曠,這一系列的情況疊加起來,宇宙當然就會空曠得離譜,那到底有多離譜呢?

要描述一個空間區域的空曠程度,「物質密度」無疑是一個很好的指標,從理論上來講,我們只需要測量出宇宙的體積和質量,就可以計算出宇宙的物質密度,但顯而易見的是,我們根本就無法做到這樣的事情,所以我們只能退而求其次,來看看可觀測宇宙的物質密度到底是多少。

從巨觀的層面來看,可觀測宇宙的物質在整體上的分布是均勻的,因為可觀測宇宙的體積是已知的,所以只需要測量出其中的一部分區域的質量,就可以據此估算出整個可觀測宇宙的物質密度,在過去的研究工作中,科學家正是通過這種方法估算出了可觀測宇宙的物質密度,即:每立方米大約6個質子的質量。

這是什麼概念呢?這樣說吧,假設有一個棱長為1米的正方體盒子,里面裝著6個質子,現在我們將盒子里的質子放大成一個常見的玻璃彈珠那麼大(直徑約為1.5厘米),那麼按照同等的比例,這個正方體盒子的棱長就將放大至大約90億公里,作為對比,冥王星與太陽的平均距離也只有大約59億公里。

在一個棱長為90億公里的巨型正方體盒子中,就只有6個直徑大約1.5厘米的玻璃彈珠,而這就可以認為是可觀測宇宙的空曠程度,怎麼樣,是不是有點超乎你的想象呢?

需要指出的是,科學界普遍認為,宇宙是由「普通物質」、「暗物質」和「暗能量」構成,由于我們對「暗物質」和「暗能量」知之甚少,甚至無法確定它們是否真的存在,因此本文討論的范圍只限于「普通物質」,并沒有包含「暗物質」和「暗能量」。

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