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在20世纪之前,人们的视线尚未穿透恒定星光的边界,对于星辰之外的未知,一无所知。但随着时间的推移,科学技术的突飞猛进,天文学界迎来了空前绝后的发展机遇,天文学家们信心满满地提出了一个大胆的假设:宇宙有限而有界,空间和时间皆有其起始和终结。本文将引领读者以地球为圆心,层层递进,构建起一个个同心球模型,逐层解析宇宙的尺度与结构。

第一:地球:直径1.3万千米

最先浮现于脑海的莫过于我们赖以生存的地球,一个直径约12742千米的蓝色星球,质量相当于60万亿亿吨。如今,人们乘坐喷气式飞机,仅需数小时就能横穿地球的子午线。飞机的窗户外,弯曲的地平线揭示了地球球形的真面目。

第二:直径200万千米

假设将地球缩小至一个点,然后将前一个球体的直径扩大100倍,我们将得到一个直径约为200万千米的巨大球体。它足以容纳月球的运行轨道,地月之间的距离约为80万千米,这个距离相当于地球直径的30余倍。除此之外,这个尺度内鲜有其他天体的造访,光线通过这个巨大的球体约需7秒。

第三:直径2亿千米(1.35天文单位)

此球体直径已超越地球与太阳间的平均距离——1.5亿千米,即一个天文单位的长度。在这一范围内,水星、金星、火星的轨道尽收眼底,人类已发射的探测器亦有数十艘进入此层空间。此处还盘踞着许多由冰构成的小行星,直径堪比山峦。穿越此球,光线需要耗时13分钟。

第四:直径120个天文单位

包含了除彗星外太阳系所有天体的同心球,其直径达到了120个天文单位。在此球体中,太阳系行星围绕太阳的距离变得微不足道:水星0.39个天文单位,金星0.72个天文单位,地球1个天文单位,火星1.52个天文单位,木星5.20个天文单位,土星9.54个天文单位,天王星19.2个天文单位,海王星30.1个天文单位,冥王星24.6~52.6个天文单位。站在这个巨大的球体之上,木星和土星如同渺小的光点,其他行星更是难以肉眼辨识。光的传递需要17个小时。

第五:直径0.19光年(1200天文单位)

此球体的大部分区域是虚空一片,即使是冥王星的运行轨道也仅是围绕太阳的一个小椭圆。站在边缘,太阳化身为一颗璀璨的恒星,数以千亿计的彗星在奥尔特星云中穿梭,构成了这个同心球的外层边界。穿越此球,光线需时70天。

第六层:直径20光年(120万天文单位)

在这一尺度内,太阳如同其他普通恒星,与比邻星、半人马座的α星共同游荡。这个球体中,共有17颗恒星,包括8个单星系统、3个双星系统和1个三星系统。最值得一提的是天狼星,它的亮度是太阳的23倍,夜空中最明亮的星辰。这些恒星间相隔甚远,拥有各自约400立方光年的独立空间,空间中仅有极少数微小的彗星,与真空无异。

第七:直径2000光年

此球体包含约200万颗恒星,人类在夜晚所能见到的大部分恒星均在此范围内。肉眼在晴朗无污染的夜空中可辨识的恒星约5000颗。这些恒星彼此相隔数十万天文单位。值得关注的天体包括:毕宿五(65光年)、角宿一(260光年)、昂星团(370光年)、餐宿四(430光年)、M7星团(800光年)和猎户星云(1400光年)。

第八:直径20万光年

众所周知,我们的银河系直径仅为10万光年。太阳系位于银河系的中心与边缘三分之二的位置,绕银河系中心一周需时约2.2亿年。自太阳诞生以来,仅绕行了不足25圈。

第九:直径2000万光年

此刻,银河系成为众多光点之一,位于这个巨大的球体内。在引力的作用下,这些星系形成一个庞大的星系群——本星系群。其中与银河系大小相当的是仙女星系,其他星系规模皆不及银河系的5%。星系间的空间极为空旷,每立方米仅含一个原子。

第十:直径20亿光年

这是一个巨大的空间结构,数以百万计的星系在其中游荡。这些星系并非无序地漂泊,而是有序地聚集在节点、集团和条带中。超星系团如同本星系群这样的较小星系团的集合体,一些超星系团包含数千个星系。我们的银河系位于室女座超星系团中,该超星系团直径达1亿光年,拥有超过5000个星系,银河系位于其边缘。目前,科学家们仍在探究为何星系会集结成松散的星系团而非随机分布。

第十一:直径130~140亿光年

这个巨大的球体容纳了我们已知的整个宇宙。根据宇宙大爆炸理论,宇宙起始于一个奇点的爆炸,从那一刻起,宇宙以接近光速的速度膨胀。宇宙的年龄有限,它终将在某时刻走向终结。

为何我们可观测的宇宙仅限于130~140亿光年的范围?

这是因为,当科学家们试图探测更远的137亿光年之处时,他们所发现的仅是一片昏暗的能量霾,即宇宙微波背景辐射(3K辐射)。科学家们相信,这是宇宙大爆炸留下的印记。因此,我们所生活的宇宙,其边界就是我们能观测到的范围,受限于时间,我们无法窥见宇宙诞生前的景象。