天上有多少颗星星(银河系有多少恒星)

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翻译:李莞梅

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责编:高明

审校:郑永春

天上有多少颗星星

一张哈勃望远镜的深空图像(图片来源:NASA)

在仰望星空时,要数清楚肉眼可见的恒星的数量,对于一个业余的天文学家而言,就已经够困难了。如果用更大的望远镜,就可以看见更多的恒星,数目之大、费时之巨使得数清楚其数量变得不可能。所以,天文学家是怎样弄清楚宇宙中有多少恒星的呢?

大卫·科恩列说,首先,我们得定义“宇宙”是什么。大卫·科恩列是纽约州伊萨卡学院的副教授,康奈尔大学“向天文学家提问”活动的发起人。

他说道:“我并不知道(答案),因为我不知道宇宙是否是无限大的。”可观测的宇宙似乎止步于137亿光年,但是在我们可见的范围之外可能还有更大的世界。一些天文学家还认为,我们生活在多重宇宙之中,还有其它类似的宇宙同处于一个更大的实体内。

最简单的方法就是先算出一个典型的星系中恒星的数量,然后乘以宇宙中星系的数量。但是,这个方法也不靠谱。因为宇宙中有的星系辐射可见光,有的则是辐射红外线。此外,还必须解决估算这一难题。

2016年10月,一篇发表于《科学》上的文章(基于哈勃天文望远镜的深空场图像)表明,在可观测的宇宙中,存在有2万亿个星系,十倍于此前所认为的数目。在一封与《科学》现场杂志的邮件中,英国诺丁汉大学天体物理学家克里斯托弗·孔塞里切,也就是这篇文章的第一作者说道,平均星系中会有约一亿颗恒星。

然而,望远镜无法看见一个星系中的全部恒星。斯隆数字巡天计划在2008年的一份估算(登记了天空三分之一的区域内所有可观测到的天体)发现了4千8百万颗恒星,差不多是天文学家预期数目的一半。像我们的太阳那样的恒星甚至都没有被包括在内。所以,很多天文学家基于这一数值来估算恒星数量,这颇有些困难,因为在估算前需要把暗物质和星系的自转因素过滤出去。

一些探测任务,比如说“盖亚”号,欧洲航天局2013年发射的一枚太空探测器,可能可以给出更多答案。“盖亚”号的任务是精确地描绘银河系中的十亿颗恒星。之前的“依巴谷”号精确地绘出了100,000颗及不那么精确地绘出了一百万颗恒星的位置,“盖亚”号正是建立于此基础之上。

“在五年的时间里,’盖亚’号会对其十亿个目标中的每一个各监测70次,精确地绘制其位置、距离、运动和亮度变化,”欧洲航天局在其网站上写道,“这些测量工作综合起来,就能制作出一张史无前例的图,描绘我们的银河系的结构和演变。多亏了这样的任务,对’宇宙中有多少颗星星?’这一经常被提出的问题,我们距离给出一个可靠的估算值又近了一步。”

即便我们缩小对“可观测”宇宙定义的范围,要估算恒星的数量,也至少得知道宇宙有多大。这个问题的第一个复杂之处在于,宇宙本身是在不断膨胀中的;而第二个复杂之处则是,时空是弯曲的。

举个简单的例子,距离地球最遥远的天体,其光线到达地球需要137亿光年,考虑到这一点,最年轻的那些天体可能就不会为我们所知,因为早期宇宙的光线还来不及到达地球。所以可观测宇宙的半径为137亿光年,因为到达我们这儿的光只能走这么长的距离。

但是,真的是这样吗?科恩列说:“这是确定距离的一个合乎逻辑的方法,但却不是一个相对论者确定距离的方法。”一个相对论者会用一件工具如米尺,沿这件工具量出一段距离,然后根据所需无限延伸。

这产生出了一个不同的答案,有些地方将宇宙半径定为480亿光年。不过不同的地方有不同的数值。这是因为时空是弯曲的。观测者在用米尺进行测量时,光线也在同一时间运动着,影响着观测结果。

在星系内部数星星会容易一些,因为恒星基本都成群出现。在开始估算恒星数量时,你需要先估算星系的数量,然后找出某种较为平均的星系来。

一些估算把银河系的恒星质量定为一千亿个“太阳质量”,也就是太阳的质量的一千亿倍。要是把太阳当作银河系恒星的平均质量的话,就会得出一个答案——银河系有约一千亿颗恒星。不过这个答案是可以更改的,这取决于有多少恒星大于或小于我们的太阳。所以,也有估算称银河系可能有两千亿颗恒星,甚至更多。

然而,如哈勃天文望远镜的一些照片所展现的那样,星系的数量是一个惊人的数字。这些年来,这个望远镜多次指向天空中的一小片区域,以计算星系的数量,在航天时代经宇航员改造升级后再次承担起这一使命。

1995年,对大熊星座的一个小区域的研究中发现了3000个暗星系。2003至2004年,科学家使用升级后的设备观测天炉座的一小片区域,发现了10000个星系。2012年,使用更为先进的设备,对天炉座做了一次更为详细的研究,又发现了5500个星系。

科恩列采用宇宙中有10万亿个星系这一粗略估算,乘以银河系的恒星数1千亿,得到了一个超级大的数:1,000,000,000,000,000,000,000,000颗恒星,也就是“1”后面跟了24个零。科恩列强调,这个数字还只是一个总体的大概估计,随着对宇宙观测得越发细致,有更多的星系会浮出水面。

 

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