宇宙有多大

一个充满物质和射线的、致密的、膨胀中的、并且均一的宇宙开始了！在物理定律的作用下，138亿年后形成了我们看到的神奇宇宙，这里有非常多的恒星、星系、星系团、大尺度纤维，这里有数万亿存在岩石行星、液态水和生命的机会。但目前我们的可见宇宙到底有多大，我们能够探索到什么程度呢？这也是艺术羡启燃众筹平台Patreon支持者佛雷德里克·马泰楼的问题。

2微米全天巡天的遥远宇宙

宇宙异常广阔，仅仅一个银河系就有难以计数的星系、恒星、气体和尘埃，我们仅能观测到非常有限的东西

Credit: 2MASS

“哈勃极限深场已在一个方向观测到130亿光年远的天体，所以我们是否可以说不管什么方向我们都能看到130亿光年那么远？深空影像展示出新生的星系，它们形态奇怪，内部的第一代恒星也并不多，它们是宇宙大爆炸后不久形成的。我们是不是可以认为整个宇宙的直径是260亿光年？还是我们仅仅能够看到很有限的部分，宇宙远不止那么大？”

哈勃极限深场的遥远宇宙

Credit: NASA/ESA

首先我们从这些人类看到的最远影像开始！哈勃极限深场影像展示了非常狭小的天区——大约是1/3200****，并通过持续长达23天的紫外、可见光和近红外波段观测得到。影像中发现了5500个星系，其中部分星系是现有宇宙年龄约4%时的影像。这样推算，可见宇宙可以有1800亿个星系。但实际上这个数字远远低于真正的数字，大约仅仅是后者的10%。

望向遥远的宇宙，就如同时间之旅，但我们的观测能力还非常有限

Credit: NASA

当我们向遥远的深空观测，同时我们也是在做时光之旅。星系的光线在宇宙中以光速传播，我们现在所处的宇宙已经138亿年。当我们观测1亿光年外的天体，其实看到的是1亿年前的影像。实际上，哈勃望远镜可以看到宇宙大爆炸后仅仅10亿年时的星系。这些越远的也就是越年轻的星系通常是这样的：体积相对较小、质量相对较小、颜色较淡、亮度较低（因为内部的恒星较少）。

不同时期的星系，右侧是哈勃发现的最早期星系

Credit: NASA/ESA

这样的观测结果很合理：在引力的作用下，这些小的原始星系需要很长时间才能聚合成像银河系这样的大星系。经过几十亿年，才能在星系团中诞生我们所熟知的椭圆星系。因此， 在宇宙的初期，一定有非常非常多的星系“种子”。

暗物质流模拟视频

Credit:Ralf Ka04hler

如果我们想要搞清楚到底有多少星系，我们有两种方法：一个是理论上的，我们依据现有物理理论来模拟测算；一个是实际观测的，也就是使用天文望远镜看到的信息。结合两者有助于我们得到更准确的数字。2016年的一项研究（附注）告诉我们，整个可见宇宙拥有2万亿个星系。它们在各个方向较为均匀的分布，较远距离的是大量低质量的星系，大质量星系周围的星系数量较少。同时，有星系蔟、星系团和大尺度纤维结构连接，在它们之间是引力作用下形成的空洞。

我们的观测能力非常有限

Credit: NASA/ESA

那为什么我们仅仅看到了9%的星系？为什么我们遗漏了如此多数量的遥远星系？

一个简单的原因：很多星系非常遥远以至于我们很难观测到。50亿光年远的星系已经非常难观测，如果是它兄虚在100亿光年外，那亮度会下降到1/4，也就是我们需要花费4倍长时间来观测它。另一个原因是这些星系并不大，内部的恒星比较少，实在是太暗了。尽管年轻的星系拥有的亮星比例较高，但一个只拥有1亿颗恒星的年轻星系，亮度仅仅是拥有4千亿颗恒星的银河系的0.1%。

哈勃观测到的遥远星系GN-z11

Credit: NASA

而且，还有其他原因！在异常遥远的宇宙深处，当红移超过6，你不得不考虑中性气体，它们会遮挡部分星光。也就是我们只能在中性气体较少的方向观测到那些遥远的星系。最后，还有宇宙红移效应。宇宙在膨胀，这是大爆炸理论的重要观点之一。它引起星光波长拉伸，也就是越遥远星系的星光偏红，甚至来自遥远星系的紫外线到达我们地球时已被拉伸成红外线。

宇宙膨胀下距离越远红移值越高

Credit: Larry McNish of RASC Calgary Cennter

哈勃极限深场的能力是探测到波长至1.6微米，即使是理论上它能够看到的距离也是有限的。这就是为什么我们研发詹姆斯韦伯空间望远镜的一个原因，它可以探测远红外波段至30微旁雹米波长，也就是红移探测能力较哈勃提升近20倍。此外，红外波段光穿透中性气体的能力较强，这意味着2019年詹姆斯韦伯望远镜将观测到更远的暗弱星系。

不同波段的银河系影像

从上至下依次是亚毫米波段、远红外、近红外、可见光。可以看到，在可见光谱段，尘埃和亮星遮住了银核

Credit: ESO

宇宙膨胀不仅造成了如上文描述的红移。如果宇宙不膨胀，一个星系的光走了100亿年，那这个星系就在100亿光年外。但这是一个膨胀中的宇宙，现在它已在更远的地方。根据研究对应关系如下。

詹姆斯韦伯望远镜的主镜

Credit: NASA

虽然我们观测到的遥远星系又暗又小，但它们已经是那个时候宇宙中的大家伙了。回到138亿年前的大爆炸，就是对应着飞跃460亿光年超大尺度的距离。2019年，詹姆斯韦伯望远镜将升空，帮助我们揭示更多的未知！