卢瑜 x 澎湃问吧

据美国国家航空航天局（NASA）近地天体研究中心（Center for Near Earth Object Studies）称，5月27日一颗直径约1.77千米的小行星将掠过地球，这预计将是在整个2022年接近地球的最大的一颗小行星。

从透过望远镜观测宇宙奥秘，到一次次发射卫星与飞船中奔赴苍穹，人类对时间和空间的探索从未停止。光年尺度下的叙事，让人类在认识宇宙之中也在认知自我。

宇宙大爆炸之前是什么样子？神秘的“暗物质”“暗能量”到底是什么？宇宙膨胀的背后，有着怎样的规律？澎湃问吧邀请《天文爱好者》杂志社社长卢瑜，一起聊聊人类如何探索神秘宇宙。

宇宙多少岁了

@子非鱼啊：宇宙从诞生到现在到底有多少岁了？宇宙的体积到底有多大，它有边界吗？

卢瑜：目前对宇宙年龄的估算，一个比较公认的数值是138亿年。按照目前的观测证据，整个宇宙仍处于一个加速膨胀的状态；如果想准确的描述宇宙空间的尺寸大小，这是目前难以做到的。根据公式的计算，整个宇宙存在一个最小的直径，大约是23万亿光年。作为对比，我们所在的银河系的直径约为十万光年。不过，根据目前人类的观测能力，有一个“可观测宇宙”的概念，可观测宇宙的直径当前的数值大约是930亿光年。

@澎湃网友eENRVv：宇宙的最小直径是23万亿光年，也就是说 光要跑23万亿年。而宇宙的年龄只有138亿年，也就是说从大爆炸开始，光只跑了138亿年，那这个宇宙的直径是怎么来的？难道大爆炸的时候宇宙扩张的速度比光速还快吗。超光速不是会产生时光倒流吗？

卢瑜：目前的观测证据是，宇宙空间一直在加速膨胀。这导致了虽然宇宙的年龄只有138亿年，也就是说宇宙从大爆炸开始经历了大约138亿年的演化时间；但是在空间上，由于各个部分都在同时膨胀，所以宇宙本身的尺度跟宇宙的年龄，一个光年、一个是年，这二者并不矛盾，目前看也不存在时间倒流的问题。

宇宙里存在第二个地球吗

@船开来：宇宙里面除了各种星体之外，还由哪些成分构成？

卢瑜：目前计算的结果是组成宇宙的成分里68%是暗能量，27%是暗物质；其他的正常物质占比差不多是5%，这其中包括了各种恒星、黑洞、星云、星际物质等等我们所熟悉的部分。

@Chelsea：暗物质到底是啥？

卢瑜：天体相互间存在着引力的作用，这能够解释我们很容易观测到的一些现象，例如月球围绕着地球运动，这两个天体又一起围绕着太阳运转。引力作用把太阳系、银河系、以及更大的星系团维系在一起。

在上个世纪，兹威基（Zwicky）对星系团的内部结构进行研究，并通过测量星系团旋转的速度来研究星系团的质量。他发现：通过测量得到的速度，用引力效应可以推测出内部星团质量，但这比在不同波段直接能够观测到的质量要大得多。这些多出来的质量是实实在在的但却无法直接观测到。他首次使用了“暗物质”一词，来描绘这种不可见物质。再后来，其他天文学家在研究星系旋转的时候，也证实了这个结果。利用引力透镜现象，也就是通过测定光线在引力场中的偏转，也能够间接证实并研究暗物质的存在。对于暗物质究竟是由何种粒子构成的，如何才能直接探测到，目前还没有明确的结论。

@De loin：请问宇宙里会存在第二个地球吗？

卢瑜：地球只是位于太阳系的一颗普通行星。从现有的理论看，由于地球与太阳的距离合适，以及地球本身的特点，使得地球在其46亿年的漫长时间里逐渐演化出了生命。

从上世纪90年代天文学家发现第一颗系外行星以来，截止到今年的3月份人类已经发现了超过5000颗系外行星。由于行星本身并不发光，所以只能通过间接的手段，例如通过天体相互遮掩测量光度变化，来探索系外行星的存在。理论上看，宇宙中肯定存在足够多的系外行星，并极有可能存在着各方面条件都与地球类似的行星。不过，在我看来，每一颗地外行星都应该是独一无二的。

@萬折必東：如果把太阳系看作是1类星系，银河系是2类星系，有没有可能，人类目前所观察到的所有星系，包括银河系及所有河外星系，都是一个3类星系的一部分？也就是说，你们所认为的宇宙其实只是一个3类星系而已？

卢瑜：为了对事物有更好的理解，弄清楚其层次结构当然是很重要的。例如，我们深入到微观世界，已经了解到了物质是由分子构成的，而分子可以被分解为原子。原子还可以进一步分解为质子、中子和电子。借助于大型对撞机，我们还知道质子和中子可以进一步细分为夸克，等等。那么宏观上，对于天体的结构也有类似的分类。

最小的当然是我们所在地地球以及地球所在的太阳系，如果只考虑到冥王星，那么直径约为80个天文单位；如果把最外围的奥尔特云都算上的话，那么直径可能要到30万个天文单位的距离了。相比之下，地球和太阳的距离是1个天文单位。

再往外走的话，太阳系就不够看了，它只是银河系中的一颗中等体量的恒星，而在银河系中有着数千亿颗（1000亿颗-4000亿颗）的恒星；这是一个有着10万光年直径的大星系，太阳系只是孤悬在其中一条旋臂上，距离银河系的中心有着2.7万光年的距离。

向外再扩一步的话，银河系属于所谓的“本星系群”。星系群是在引力作用下若干星系的集合体，而所谓本星系群包含了50多个星系，跨越了大约600多万光年的距离。在其中，最大的是仙女星系，而银河系只能屈居第二。成员星系数目较多的星系群，有时也被称为星系团。目前，已经有数万个星系群、星系团被发现；大量的星系群、星系团聚合在一起，形成了更大的一个结构：超星系团。我们本星系群所在的被称为“本超星系团”，其中处于相对中心位置的是室女星系团，其中包含有大约2000多个星系，直径超过1200万光年。而本星系群在其中体量就显得小多了。超星系团是我们在宇宙中发现的最大结构之一。

希克森致密星系群40，图片来自NASA

当然，通过观测，例如著名的斯隆数字化巡天项目，天文学家们发现了宇宙中的更大尺度结构。例如巨大的纤维状结构，名为“斯隆长城”（Sloan Great Wall），这其中包含了一大片星系，长度达到了5亿光年，厚度仅为1500万光年；宇宙间还有巨大的空腔结构，被称为空洞。在大尺度上，宇宙看起来就是有这些空隙和丝丝缕缕的结构组成的。

研究天文学有啥用

@thismoment：请问人类通过科技发展和探索，目前去到的太空最远距离是哪里？如果不能去到更远，是什么原因导致了限制？

卢瑜：在上世纪70年代，美国先后发射了几个著名的探测器，包括先驱者10号、先驱者11号以及旅行者1号和旅行者2号等等；这些探测器都早已远离地球，飞到了太阳系边沿，向着行星际空间进发。其中，截止到2022年1月，旅行者1号与地球之间的距离估计已经达到了155.8个天文单位，相对而言它应该是距离我们最遥远的人造天体，只不过我们早已无法接收来自它的信号了。

旅行者一号

而人类能够亲自去的最远距离，就是始于上世纪60年代的载人登月计划，先后有6批共18名航天员登上月球，其中12人完成出舱并来到月面执行任务。对于地球上的人类而言，月球有着38万公里的距离，他们算是到过最远的地方了。

如果人类不能去到更远的地方，原因是多方面的。简言之就是当前的科技还不足以支持在更远的距离上，对航天器的结构、动力、生命支持系统、通讯等多个方面进行足够的保障。当然也可能存在其他的社会或是伦理问题。

@吹起的怪风：天文学对人类未来的作用是什么？目前人类在哪些方面受益于天文学？

卢瑜：首先，我个人的看法是对于包括天文学在内的诸多基础科学如果持有过于功利的态度，显然是不太合适的。天文学是以兴趣和好奇心为驱动的，这就决定了需要在更高的角度来理解这门学科。不过，基础学科当然是有用的，用处而且很大。天文学也是如此。

在人类诞生初期，最早便被人类关注、并被研究和用来指导日常的生产生活的基础学科中就有天文。我们知道，最早的人类研究物理和材料的问题，这可能与人们日常房屋搭建、工具制造有关；人们需要研究数学，计数和统计应该是很有需求的问题；而观天象、研究日月星辰的运行，用来分辨季节、颁定历法、指导人们的农业生产。这些无疑都对当时的人类生活息息相关。

人们通过天文学研究，探索和思考的是最为本源的一些问题，从日月星辰的运行规律，到宇宙的结构、起源和演化等等。为了让天文学家们看得更远、分辨得更细、计算得更精确，会伴随着诸多科学理论和工程技术的快递进步，并在成熟的时候反哺于人类的日常生活，保护人类并提升整体的生活水平。例如，对近地小天体的观测研究不仅是为了丰富和完善太阳系的演化模型，也是为了尽力防范预警对地球的危险撞击，让人类不至于像6000万年前的恐龙一样面对灾难束手无策；爱因斯坦提出的相对论固然可以解释水星在近日点的进动，但也可以用来修正卫星上的时钟，使其服务于地面的导航……

当然，即便是完全不考虑这些，人类还是要有更多追求的，这是能够在地球上诸多生物中脱颖而出的重要一点。从更高的层面上来看，我认为通过对这些问题的思考，推动天文学等不同科学知识在公众中的传播和普及，可以给人类带来更理性、客观、平和看待世界、看待问题的方式。我认为这应当是天文学及其他基础学科最为重要的作用。

人类最大太空望远镜：韦伯太空望远镜

@柒星：数学对于研究宇宙有多大作用？

卢瑜：自古以来，数学就诞生于人类的日常生活之中，并且一直扮演极为重要的角色。人们需要统计自己的猎物、工具和人口，需要用数字来跟踪和标定日月星辰的运动。数学既像是人类发明的一种工具；又像是早已自然存在的现象，只不过被人类敏锐地把握和提炼出来了。不过随着人类历史的不断发展，人们开始不满足于地面上的基础研究而将目光望向天空、对准宇宙的深处，数学也随之取得巨大的发展和进步，并反过来推动了更多的惊人发现。

如果没有数学，我们对于整个宇宙图景的理解可能进展会非常缓慢，甚至可能仍然局限在太阳系这一小片范围之内，苦苦思考这些不同星星之间的相互关系。正如开普勒接受了哥白尼的日心说理念，又作为第谷的助手获得了大量观测资料后，他对行星的运动进行了定量的数学解释。这就是著名的行星运动三定律，为构建精确的太阳系模型、预测行星运动奠定了坚实基础。

随后到了十七世纪的后半叶，牛顿在思考彗星的运动情况时意识到物体以非线性的方式运动，使用基本的代数理论进行描述是不够精确的，于是便引入了微积分。当时的莱布尼茨也独立做到了这一点。这个巨大的变革让数学这一工具能够更精确地描述行星和其他天体是如何围绕太阳运动的。所以在19世纪，当人们利用这些工具对天王星的轨道进行计算时，发现与观测的实际情况存在偏差，这直接导致天文学家们推算出了更外侧的海王星的存在。这是目前唯一的一颗先利用数学工具计算出位置、后用观测证实的天体。显然数学让人们对太阳系乃至整个宇宙图景的理解更为深入。

二十世纪以来，量子理论开始逐步成形。似乎在量子的世界里，牛顿的经典理论不是那么适用。爱因斯坦提出了狭义和广义相对论，这不仅是物理上的进步，也是数学上的进步。这意味着可以在一个全新的角度描绘引力、质量、能量、以及整个宇宙。当然，这其中还有很多需要修正和调和的地方，待解决的问题还很多。这些问题的思考和解决都需要通过数学去实现。

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责任编辑：鞠文韬

校对：栾梦

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