宇宙到底包含多少個(gè)星系？

北京時(shí)間2014年4月10日消息，美國太空網(wǎng)報(bào)道，在宇宙里存在著大量的星系，對(duì)它最具代表性的闡述便是哈勃極深場(chǎng)(XDF)——一組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖片集，展示了單張復(fù)合圖片里包含上千個(gè)星系。

然而，估計(jì)整個(gè)宇宙里星系的數(shù)量并非易事。首先純粹的數(shù)值是個(gè)問題——一旦總量達(dá)到10億以上，數(shù)量的繼續(xù)增加導(dǎo)致計(jì)數(shù)越來越麻煩。另一個(gè)問題便是我們儀器的限制，為了獲得更好的視野，望遠(yuǎn)鏡必須擁有更大的光圈(主要鏡面或者鏡頭的直徑)以避免地球空氣產(chǎn)生的扭曲失真。

美國馬里蘭州巴爾的摩市空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天體物理學(xué)家馬里奧·利維奧(Mario Livio)表示，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是目前進(jìn)行星系統(tǒng)計(jì)和估計(jì)的最好工具。這臺(tái)于1990年發(fā)射的望遠(yuǎn)鏡最初主鏡面存在失真，隨后在1993年的一次航天飛機(jī)訪問后修復(fù)了。哈勃還經(jīng)歷了幾次系統(tǒng)升級(jí)和服務(wù)訪問，直到2009年5月的最終航天飛機(jī)任務(wù)。

2005年天文學(xué)家將哈勃望遠(yuǎn)鏡指向看似空洞的大熊星座，并收集了長達(dá)10天的觀測(cè)信息。結(jié)果顯示在每一幀里大約存在3000個(gè)昏暗星系，昏暗程度相當(dāng)于第30級(jí)，相比之下北極星大約為第2級(jí)。這張復(fù)合圖片被稱為哈勃深場(chǎng)，是一個(gè)人一次能夠看到的最深最遠(yuǎn)的宇宙。

隨著哈勃望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的不斷升級(jí)，天文學(xué)家重復(fù)進(jìn)行了這次實(shí)驗(yàn)兩次。在2003年和2004年，科學(xué)家創(chuàng)造了哈勃超深場(chǎng)，這張100秒曝光的圖片揭示了天爐星座單一的小點(diǎn)上有10000個(gè)星系。2012年，天文學(xué)家再次利用升級(jí)的設(shè)備觀測(cè)了超深場(chǎng)的一小部分。即使在如此狹窄的視野里，科學(xué)家們?nèi)匀槐O(jiān)測(cè)到5500個(gè)星系?？茖W(xué)家們將此取名為極深場(chǎng)。

總而言之，哈勃的觀測(cè)揭示了宇宙大約存在1000億個(gè)星系，但隨著太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，這一估計(jì)值可能增加到2000億個(gè)。利維奧這樣說道。

數(shù)星星

無論所使用的設(shè)備是什么，估計(jì)星系數(shù)量的方法是相同的。你利用望遠(yuǎn)鏡選擇一片天空并觀測(cè)存在的星系數(shù)量，然后利用這片天空與整個(gè)宇宙的比例，從而確定整個(gè)宇宙的星系數(shù)量。“這一方法的前提假設(shè)是整個(gè)宇宙是均勻的。” 利維奧說道。“我們有理由相信事實(shí)的確如此，因?yàn)檫@是宇宙學(xué)原理。”

這一原理追溯到愛因斯坦的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)之一便是引力導(dǎo)致時(shí)空扭曲，基于此好幾名科學(xué)家(包括愛因斯坦)試圖理解引力將如何影響整個(gè)宇宙。

“最簡單的假設(shè)便是如果你用足夠差的視力觀察整個(gè)宇宙，你會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)方向的各片天空幾乎都是一樣的。”美國宇航局這樣表示。“這意味著，從非常大的范圍內(nèi)求平均值時(shí)，整個(gè)宇宙的物質(zhì)是均勻和各向同性的，這被稱為宇宙學(xué)原理。”

宇宙學(xué)原理的例子之一便是宇宙微波背景，這種輻射是宇宙大爆炸之后早期宇宙的殘余物。利用例如美國宇航局威爾金森微波各向異性探測(cè)器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP)等設(shè)備，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)無論從哪里觀測(cè)，宇宙微波背景幾乎都是相同的。

星系的數(shù)量未來是否會(huì)發(fā)生變化?

對(duì)宇宙膨脹——主要是通過觀測(cè)星系遠(yuǎn)離我們的速率——的測(cè)量顯示，宇宙大約已經(jīng)138.2億年老。隨著宇宙逐漸衰老和變大，星系將日漸后退，距離地球越來越遠(yuǎn)，這使得利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)它們變得更加困難。

宇宙正在以超過光速的速率膨脹，這并不違反愛因斯坦的光速極限，因?yàn)榕蛎浀氖怯钪姹旧?，而非在宇宙里穿行的物體。同時(shí)這種膨脹速率在不斷加速。這便是“可觀測(cè)宇宙”——也即我們能夠看到的宇宙——的概念發(fā)揮作用的地方。在1萬億年到2萬億年間，有很多星系將超出我們?cè)诘厍蛏夏軌蛴^測(cè)的范圍。“我們將只能觀測(cè)到那些發(fā)出的光能夠到達(dá)地球的星系，但這并不意味著這是宇宙里所有的星系。這便是可觀測(cè)宇宙的定義。”

星系也會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。銀河系在未來將與鄰近的仙女座星系發(fā)生碰撞并在40億年后合并。在此之后本星系群的其它星系——距離我們最近的那些星系——將最終合并。未來星系的居民可以觀測(cè)到的宇宙將更加昏暗。“那時(shí)候的文明可能無法發(fā)現(xiàn)宇宙具有1000億個(gè)星系的證據(jù)，人類將無法觀測(cè)到宇宙正在膨脹，甚至可能不知道曾經(jīng)發(fā)生過宇宙大爆炸。”

其它宇宙呢?

隨著早期宇宙的膨脹，其它理論認(rèn)為不同的“口袋”可能逃離并形成不同的宇宙，它們可能以不同的速率膨脹，包含其他類型的物質(zhì)，甚至擁有與我們完全不同的物理定律。利維奧指出其它宇宙可能也存在星系，只是我們無法確定的證實(shí)這一點(diǎn)。所以星系的總量可能比2000億個(gè)還要大。

在我們自身的宇宙里，隨著2018年詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射，天文學(xué)家將能夠更好的確定星系總量。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡能夠一窺宇宙大爆炸后4.5億年形成的星系，而詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可以追溯到大爆炸后2億年形成的星系。“即便如此，預(yù)計(jì)的星系總量可能并不會(huì)發(fā)生太大的變化，” 利維奧說道。他指出第一批星系不可能形成于更早時(shí)期。“因此2000億個(gè)星系可能是我們可觀測(cè)宇宙的最佳估計(jì)。”