卢瑜 x 澎湃问吧

据美国国家航空航天局称，美国国家航空航天航天局（NASA）近地天体研究中心（Center for Near Earth Object Studies）一颗直径约1.77公里的小行星将于5月27日经过地球，这预计将是2022年接近地球的最大小行星。

从通过望远镜观察宇宙的奥秘，到一次又一次地向天空发射卫星和飞船，人类对时间和空间的探索从未停止过。光年的叙事使人类在理解宇宙中认识自己。

宇宙爆炸前是什么样子的？什么是神秘的暗物质和暗能量？宇宙膨胀背后的规律是什么？本文邀请天文爱好者杂志社长卢瑜谈谈人类如何探索神秘宇宙。

宇宙多大了？

@子非鱼:宇宙从诞生到现在多大了？宇宙有多大？它有边界吗？

卢瑜：目前对宇宙年龄的估计，公认值为138亿年。根据目前的观测证据，整个宇宙仍处于加速膨胀状态；目前很难准确描述宇宙空间的大小。根据公式计算，整个宇宙的最小直径约为23万亿光年。相比之下，我们银河系的直径约为10万光年。然而，根据目前人类的观测能力，有一个可观测宇宙的概念，目前可观测宇宙直径的值约为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 运行23万亿年。宇宙只有138亿年，也就是说，从大爆炸开始，它只运行了138亿年。宇宙的直径是怎么来的？宇宙在大爆炸时扩张得比光速快吗。超光速不会产生时间倒流吗？

卢瑜：目前的观察证据是，宇宙空间一直在加速扩张。这导致宇宙只有138亿年，也就是说，宇宙从大爆炸开始经历了大约138亿年的进化；但在空间中，由于各部分同时膨胀，宇宙本身的规模和宇宙的年龄，一个光年，一个是年，两者不矛盾，没有时间回流的问题。

宇宙中有第二个地球吗？

@船来了:宇宙中除了各种星体还有哪些成分？

卢瑜:目前计算的结果是，68%的宇宙成分是暗能量，27%是暗物质；其他正常物质约占5%，包括各种我们熟悉的部分，如恒星、黑洞、星云、星际物质等。

@Chelsea：什么是暗物质？

陆瑜：天体之间有重力作用，可以解释一些我们很容易观察到的现象，比如月球在地球周围运动，这两个天体在太阳周围运动。重力保持太阳系、银河系和更大的星系。

上个世纪，兹威基（Zwicky）研究星系团的内部结构，并通过测量星系团的旋转速度来研究星系团的质量。他发现，内部星团的质量可以通过测量速度和重力效应来推测，但这远远大于可以直接在不同波段观测到的质量。这些额外的质量是真实的，但不能直接观察到。他第一次用暗物质这个词来描述这种不可见的物质。后来，其他天文学家在研究星系旋转时也证实了这一结果。利用引力透镜现象，即通过测量光在引力场中的偏转，也可以间接证实和研究暗物质的存在。目前还没有明确结论暗物质是由什么样的粒子组成的，如何直接检测。

@De loin：宇宙中会有第二个地球吗？

卢瑜:地球只是太阳系的一颗普通行星。从现有的理论来看，由于地球与太阳的适当距离和地球本身的特点，地球在46亿年的漫长时间里逐渐演变出生命。

自上世纪90年代天文学家发现第一颗系外行星以来，截至今年3月，人类已发现5000多颗系外行星。由于行星本身不发光，只能通过间接手段探索系外行星的存在，如通过天体相互掩盖来测量光度变化。理论上，宇宙中一定有足够的系外行星，而且很有可能有与地球相似的行星。然而，在我看来，每一颗地外行星都应该是独一无二的。

@万折必东:如果把太阳系当成一类星系，银河系是二类星系，有没有可能人类观察到的所有星系，包括银河系和所有河外星系，都是三类星系的一部分？也就是说，你认为宇宙只是三类星系？

卢瑜：为了更好地理解事物，了解其层次结构当然是非常重要的。例如，当我们深入到微观世界时，我们已经了解到物质是由分子组成的，分子可以分解为原子。原子也可以进一步分解为质子、中子和电子。在大型碰撞机的帮助下，我们也知道质子和中子可以进一步细分为夸克，等等。所以在宏观上，结构也有类似的分类。

当然，最小的是我们所在的地球和地球所在的太阳系。如果只考虑冥王星，直径约为80个天文单位；如果包括最外围的奥尔特云，直径可能达到30万个天文单位。相比之下，地球和太阳之间的距离是一个天文单位。

如果你再往外走，太阳系就不够看了。它只是银河系中的一颗中等体积的恒星，银河系中有数千亿颗恒星（1000亿-4000亿颗）；这是一个直径为10万光年的大星系。太阳系只是悬挂在其中一个旋臂上，距离银河系中心2.7万光年。

如果系属于所谓的本星系群。星系群是几个星系在重力作用下的集合体，而所谓的星系群包含了50多个星系，跨越了大约600万光年。最大的是仙女星系，而银河系只能屈居第二。星系数量较多的星系群，有时也叫星系群。目前已发现数万星系群和星系群；大量的星系群和星系团聚集在一起，形成了更大的结构:超星系团。我们的本星系群被称为本超星系团，其中室女星系团位于相对中心，包括直径超过1200万光年的2000多个星系。其中本星系群体积小很多。超星系团是我们在宇宙中发现的最大结构之一。

来自希克森致密星系群40的图片NASA

当然，天文学家通过观察，如著名的斯隆数字巡天项目，在宇宙中发现了更大的结构。例如，被称为斯隆长城的巨大纤维结构（Sloan Great Wall），它包含一大片星系，长度为5亿光年，厚度仅为1500万光年；宇宙中还有一个巨大的空腔结构，被称为空洞。在大规模上，宇宙似乎由这些缝隙和结构组成。

研究天文学有什么用？

@thismoment：通过科技的发展和探索，人类到达的太空最远的距离是什么？如果你不能走得更远，是什么导致了限制？

卢瑜:20世纪70年代，美国发射了几种著名的探测器，包括先锋10号、先锋11号、旅行者1号、旅行者2号等。这些探测器已经远离地球，飞向太阳系边缘，进入行星空间。其中，截至2022年1月，旅行者1号与地球的距离估计已达到15.8个天文单位。相对而言，它应该是离我们最远的人造天体，但我们已经无法接收它的信号。

旅行者一号

人类可以亲自去的最远的距离是从20世纪60年代的载人登月计划开始的。共有6批18名宇航员登上月球，其中12人完成了出舱，来到月球上执行任务。对于地球上的人类来说，月球有38万公里，他们去过最远的地方。

如果人类不能走得更远，原因有很多。简而言之，目前的技术还不足以支持航天器的结构、动力、生命支持系统、通信等方面。当然，也可能存在其他社会或伦理问题。

@奇怪的风：天文学对人类未来的作用是什么？天文学对人类有什么好处？

陆瑜：首先，我个人的观点是，如果包括天文学在内的许多基础科学过于功利，显然是不合适的。天文学是由兴趣和好奇心驱动的，这决定了有必要从更高的角度理解这门学科。然而，基础学科当然是有用的、有用的和非常有用的。天文学也是如此。

天文学是人类最早关注、研究和用于指导日常生产和生活的基础学科。众所周知，最早的人类研究物理和材料问题可能与人们的日常住房建设和工具制造有关；人们需要研究数学。计数和统计应该是一个非常有需要的问题；观察天空，研究太阳、月亮和星星的运行，用于区分季节，颁布历法，指导人们的农业生产。这些无疑与当时的人类生活息息相关。

通过天文学研究，人们探索和思考了从太阳、月亮宇宙的结构、起源和进化，探索和思考一些最本源的问题。为了让天文学家看得更远，区分得更仔细，计算得更准确，它将伴随着许多科学理论和工程技术的快速进步，并在成熟时反馈人类的日常生活，保护人类，提高整体生活水平。例如，对近地小天体的观察和研究不仅是为了丰富和改进太阳系的进化模型，也是为了防止对地球的危险影响的预警，这样人类就不会像6000万年前的恐龙那样面对灾难；爱因斯坦的相对论可以解释水星最近的进展，但也可以用来纠正卫星上的时钟，为地面导航服务……

当然，即使根本不考虑，人类也应该有更多的追求，这是在地球上许多生物中脱颖而出的一个重要点。从更高的层面来看，我认为通过思考这些问题，促进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、和平地看待世界和问题的方式。我认为这应该是天文学和其他基础学科中最重要的作用。

人类最大的太空望远镜：韦伯太空望远镜

@七星：数学对研究宇宙有多大影响？

卢瑜:自古以来，数学就诞生于人类的日常生活中，一直扮演着极其重要的角色。人们需要统计自己的猎物、工具和人口，并用数字跟踪和标记日月星辰的运动。数学就像人类发明的工具；它也像是一种自然现象，但它被人类敏锐地掌握和提炼出来。然而，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，看着天空和宇宙的深处，数学取得了巨大的发展和进步，反过来又促进了更惊人的发现。

如果没有数学，我们对整个宇宙图景的理解可能会非常缓慢，甚至可能仍然局限于太阳系，努力思考这些不同星星之间的关系。正如开普勒接受哥白尼的日心理念，并作为第谷的助手获得了大量的观测数据一样，他对行星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和预测行星运动奠定了坚实的基础。

然后在17世纪下半叶，牛顿在思考彗星运动时意识到物体以非线性方式运动，用基本代数理论描述不够准确，于是引入了微积分。莱布尼茨当时也独立做到了这一点。这一巨大的变化使数学工具能够更准确地描述行星和其他天体是如何围绕太阳移动的。因此，在19世纪，当人们使用这些工具计算天王星的轨道时，他们发现与观察的实际情况存在偏差，这直接导致天文学家计算出更外层次的海王星的存在。这是目前唯一一个先用数学工具计算位置，然后用观察证实的天体。显然，数学使人们对太阳系乃至整个宇宙图景有了更深的理解。

量子理论自20世纪以来逐渐形成。牛顿的经典理论似乎不适用于量子世界。爱因斯坦提出了狭义和广义相对论，这不仅是物理进步，也是数学进步。这意味着引力、质量、能量和整个宇宙可以从一个新的角度描述。当然，还有很多地方需要纠正和调和，还有很多问题需要解决。通过数学来思考和解决这些问题。

你对宇宙的奥秘还有什么问题？欢迎来到澎湃问吧提问或留言讨论！

主编：鞠文韬

校对：栾梦