宇宙中究竟有多少個(gè)星系？這個(gè)問題網(wǎng)上一搜，有說 1000 億的，有說 2000 億的，也有說兩萬億的。到底哪個(gè)數(shù)字更接近真實(shí)情況呢？
如何知道有多少星系？一個(gè)個(gè)去數(shù)顯然不現(xiàn)實(shí)，你能想到最簡單也最直接的方法，可能就是通過隨機(jī)抽樣來估算。這樣我們就可以先對(duì)天空中某片區(qū)域拍一張照片，然后數(shù)一數(shù)里面有多少個(gè)星系，完了再根據(jù)這塊天區(qū)占整個(gè)天球的比例，最后計(jì)算出個(gè)總數(shù)。
這確實(shí)是個(gè)辦法，而且天文學(xué)家也是這么做的。
1995 年，哈勃望遠(yuǎn)鏡曾對(duì)北半球天空的一小塊區(qū)域進(jìn)行了長時(shí)間曝光的深度觀測。那是一塊面積不到滿月百分之一的狹小區(qū)域，起初看起來空無一物，人們自然也沒有報(bào)太大希望。然而當(dāng)照片出來后，大家全都傻了眼：之前還空空如也的地方，竟然布滿了密密麻麻各種天體！這張照片便是著名的“哈勃深空?qǐng)觯℉ubble Deep Field, HDF）”，也叫“哈勃深空”。
經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，照片中的星系多達(dá)三千個(gè)，于是初步估算，宇宙中的星系大約在 800 億個(gè)左右。三年后，哈勃又在南天區(qū)拍了張類似的照片。由于這次的曝光時(shí)間更長，這張“哈勃南天深空”拍出了更多的星系，此后通過它估算出的星系數(shù)量增加到了 1250 億。
看來只要增加曝光時(shí)間，拍出更多星系應(yīng)該不是問題。于是 2003 到 2004 年間，哈勃先后花了 70 多天，累計(jì)曝光 280 個(gè)小時(shí)，最終生成了一張包含近萬個(gè)星系的“哈勃超深空（Hubble Ultra Deep Field, HUDF）”。這張照片預(yù)示著宇宙中的星系總數(shù)可能超過了 2000 億個(gè)。
此后，雖然不同模型得出的星系數(shù)量不盡相同，但結(jié)果都大差不差。這也是“宇宙星系總數(shù)在 1000 億~2000 億”這個(gè)說法的來源。
你可能也意識(shí)到了，這樣得出的星系總數(shù)顯然不準(zhǔn)嘛。不管我把曝光時(shí)間加到多長，總有一些星系因?yàn)樘h(yuǎn)太小，我看不到。再加上宇宙本身也在膨脹，遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的紅移，以至于很多星系別說哈勃，就是韋伯上了也無能為力。
然而這還不是最關(guān)鍵的。不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，通過照片數(shù)星系的方式存在一個(gè)大 BUG：我們拍攝的照片并不能代表此刻的宇宙！
由于光速限制，星系發(fā)出的光到達(dá)地球是需要時(shí)間的，距離越遠(yuǎn)花費(fèi)時(shí)間越長。這就相當(dāng)于星系拍了張自拍，然后寄給我們，等我們收到照片已經(jīng)是很久很久以后的事了。這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)現(xiàn)象：近處的星系通?？雌饋頃?huì)比較“老”，因?yàn)檎掌牡木褪撬鼈儸F(xiàn)在的樣子；但遠(yuǎn)處的星系看起來就相對(duì)年輕，因?yàn)槟切┱掌窃诤芫煤芫靡郧八鼈冞€很年輕的時(shí)候拍的，有些甚至是出生不久的“滿月照”。這個(gè)現(xiàn)象意味著，在那之后的幾十億、上百億年里，一些星系它們已經(jīng)相互融合成了更大的星系，星系數(shù)量會(huì)減少；但與此同時(shí)，新的星系也在不斷地形成，星系數(shù)量又會(huì)增加。也就是說，我們沒辦法獲知此時(shí)此刻的宇宙有多少星系。
對(duì)于我們來說這似乎是個(gè)無解的問題，但科學(xué)家可不會(huì)輕易放棄，畢竟這可是一幫連宇宙多大歲數(shù)都能推算出來的人。
2016 年，一篇發(fā)表于《天體物理學(xué)期刊》上的文章中，研究人員通過研究星系密度如何隨宇宙變化，從而推測出宇宙中可能的星系總數(shù)。
研究人員基于大量觀測數(shù)據(jù)建立的星系質(zhì)量函數(shù)，在排除了宇宙膨脹影響后，計(jì)算出位于不同紅移區(qū)間（也就是不同距離上）的星系密度，這樣我們就對(duì)宇宙中星系數(shù)量的變化規(guī)律有了大致了解。其中影響星系數(shù)量的因素主要有兩個(gè)：一個(gè)是紅移，一個(gè)是星系質(zhì)量。
紅移很好理解，不同紅移代表宇宙的不同時(shí)期，每個(gè)時(shí)期的星系數(shù)量肯定不一樣。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，星系數(shù)量其實(shí)與紅移的關(guān)系并不是特別大。因?yàn)楫?dāng)研究人員把紅移極限值設(shè)定為 12 時(shí)，結(jié)果只比紅移極限為 8 的時(shí)候星系總數(shù)多了 65%。
然后，星系質(zhì)量呢，它代表了什么樣的天體可以算作一個(gè)星系，太小的話它可能就和星團(tuán)沒什么區(qū)別了。所以呢，研究人員設(shè)定了 100 萬倍太陽質(zhì)量的星系質(zhì)量下限，這也是一些小的矮橢球星系通常的質(zhì)量下限。
計(jì)算結(jié)果顯示，在宇宙誕生之初，星系密度經(jīng)歷了一個(gè)迅速的下降階段，在 30 億年后趨于恒定。這個(gè)結(jié)果出乎意料。你想啊，早期的宇宙充滿了原始?xì)怏w，此時(shí)正是大批恒星集中誕生的時(shí)候。新恒星不斷出現(xiàn)，帶來的結(jié)果肯定是星系數(shù)量不斷上漲才對(duì)。但為何計(jì)算結(jié)果恰恰相反呢？
一個(gè)合理的猜測是：在這期間星系間的合并意外的頻繁。因?yàn)檫@時(shí)候雖然有很多新誕生的星系，但是它們普遍還很小，加上此時(shí)的宇宙還沒膨脹太大，仍然十分擁擠，因此星系之間很容易發(fā)生碰撞，相互融合。如果把星系質(zhì)量提高一萬倍，限定在 100 億倍太陽質(zhì)量（差不多就是大麥哲倫這種比較成熟的星系），那結(jié)果就和預(yù)想的一樣了：隨著時(shí)間推移，星系的數(shù)量穩(wěn)步上升。因?yàn)殡S著小星系合并，大星系肯定越來越多嘛。
最終，研究人員以紅移值 8 為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了紅移小于 8 且質(zhì)量在 100 萬倍太陽質(zhì)量以上的星系數(shù)量。為什么紅移設(shè)定在 8？前面說了，紅移值對(duì)星系數(shù)量的影響不是很大，從 8 的時(shí)期開始（大概是大爆炸后 8 億年左右），宇宙中星系的總數(shù)就已經(jīng)基本固定了。再往前算意義不是很大，而且對(duì)高紅移天體的觀測結(jié)果本身不確定性就很大。所以，我們只需要計(jì)算紅移 < 8 的星系數(shù)量，基本上就能代表目前宇宙中的星系總數(shù)了。
這個(gè)數(shù)量是多少呢？大約 2 萬億！沒錯(cuò)，比哈勃深場估算出的足足多了 10 倍。這意味著，通過哈勃望遠(yuǎn)鏡我們只能看到宇宙中 1/10 的星系，另外的九成雖然理論上有看到的可能，但是因?yàn)樗鼈儌€(gè)頭太小或離得太遠(yuǎn)，如今的技術(shù)很難將其識(shí)別。
這其實(shí)也從一方面解釋了奧伯斯佯謬的問題：如果宇宙是無限大的，那恒星也是無限多的，那么無論我們朝哪個(gè)方向望去，視線總會(huì)落到一顆恒星上，所以天空應(yīng)該是亮的才對(duì)，可現(xiàn)實(shí)中的夜晚，天空為什么總是黑的呢？
其實(shí)都不用無限多，幾萬億個(gè)星系就足以覆蓋視線中的每一個(gè)點(diǎn)。只是因?yàn)樗鼈兲^暗淡，即使通過哈勃、韋伯這樣的設(shè)備我們也無法盡收眼底。
對(duì)了，有必要說一下：本期提到的“宇宙”特指“可觀測宇宙”，“2 萬億”的這個(gè)結(jié)果也僅限定在可觀測宇宙范圍內(nèi)。但是可觀測宇宙的范圍會(huì)隨時(shí)間變化，當(dāng)可觀測宇宙以外的光經(jīng)歷了足夠長的時(shí)間后，它依然有機(jī)會(huì)進(jìn)入我們的視野。假如宇宙是無限的話，那是否意味著可觀測宇宙的星系數(shù)量終將也是無限的呢？
答案是：不會(huì)！因?yàn)橛钪嬉恢痹诩铀倥蛎浿?，如今我們可觀測宇宙中的絕大部分區(qū)域，它們已經(jīng)在以超光速遠(yuǎn)離我們。
目前可觀測宇宙半徑大約在 465 億光年，假設(shè)暗能量保持不變，再過若干億年，這個(gè)半徑最終會(huì)定格在 620 億光年這個(gè)極限值。宇宙中的星系數(shù)量，雖然在接下來的很長時(shí)間內(nèi)仍會(huì)繼續(xù)增加，但是數(shù)量的上限最終只會(huì)達(dá)到當(dāng)前數(shù)量的 2.36 倍，也就是不到 5 萬億。所以這也意味著，哪怕人類文明能夠永遠(yuǎn)存續(xù)下去，我們也終將無法等到一覽宇宙全貌的那一天。
雖然理論上未來會(huì)有更多的星系被我們看到，但實(shí)際上，越來越多的星系它們會(huì)因?yàn)橛钪媾蛎浂t移越來越大。也就是說，未來我們看到的星系很可能并不會(huì)增加，反而是已經(jīng)看到的星系會(huì)逐漸淡出視野，直至永不可見。
現(xiàn)如今，所有紅移大于 1.69 的星系，它們的退行速度都已超過光速。它們此刻發(fā)出的光，我們將永遠(yuǎn)無法看到。若干億年后，當(dāng)宇宙中所有星系均以超光速遠(yuǎn)離彼此時(shí)，對(duì)于之后宇宙中誕生的新文明來說，它們甚至無法得知有其他星系存在這一事實(shí)。由于發(fā)現(xiàn)不了空間膨脹，它們可能根本不知道有大爆炸的存在。對(duì)它們來說，宇宙將是一片永恒的黑暗，而宇宙的誕生，也將是一個(gè)永遠(yuǎn)無法解開的謎團(tuán)。
既然宇宙一直在加速膨脹，那終將有一天，這個(gè)膨脹速率會(huì)大到使星系中的恒星彼此遠(yuǎn)離。到那時(shí)它們會(huì)驚訝的發(fā)現(xiàn)，原本一直穩(wěn)定存在的星系竟然開始了膨脹！
當(dāng)漫天繁星變得不再閃耀，意味著星系已經(jīng)開始解體。不過，哪怕整個(gè)可觀測宇宙只剩下一顆恒星，那也不過是夜晚的天空沒有了星星而已。但接下來才真正進(jìn)入地獄之門：行星系統(tǒng)崩潰、天體瓦解，災(zāi)難接踵而至，最終整個(gè)世界乃至小小的原子都會(huì)分崩離析。難道說，宇宙的最終命運(yùn)真的是“大撕裂”嗎？
論文 & 綜述：
[1] Christopher J. Conselice, Aaron Wilkinson,Kenneth Duncan, Alice Mortlock. THE EVOLUTION OF GALAXY NUMBER DENSITY AT z < 8 AND ITS IMPLICATIONS[J]. The Astrophysical Journal, 2016, 830(2)
[2] N. Metcalfe, T. Shanks, A. Campos, H. J. McCracken, R. Fong. Galaxy number counts — V. Ultradeep counts: the Herschel and Hubble Deep Fields[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2001, 323(4):795-830
[3] Krauss, Lawrence M.; Robert J. Scherrer. The Return of a Static Universe and the End of Cosmology. General Relativity and Gravitation[J]. 2007, 39(10): 1545-1550
[4] J. Richard Gott III, Mario Juri?, David Schlegel, Fiona Hoyle, Michael Vogeley, Max Tegmark, Neta Bahcall, Jon Brinkmann. A Map of the Universe[J]. The Astrophysical Journal, 2005, 624(2)
新聞 & 文章：
[1] SPACE.COM: How many galaxies are there?
[2] WIKIPEDIA: Observable universe
本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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