普通天文學/大局
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宇宙是一個巨大的地方 - 對我們來說太大了，我們無法理解。 但是有多大呢？ 天文學家幾個世紀以來一直在努力解決這個問題，他們對已知宇宙的看法一直在穩步增長，達到了難以想象的巨大尺寸。 這是一個重要的問題，也是我們理解宇宙本身的基本部分。 要研究天文學，必須瞭解那裡有什麼，所有事物如何關聯以及我們在宇宙中的位置。 問題是，尺度，即物體類別的大小，對於比地球大得多的物體來說太陌生了。 在一個巨大的宇宙中，這可能是一個挑戰。 為了解決這個問題，讓我們嘗試將我們熟悉的周圍的真實世界與陌生的宇宙尺度聯絡起來。
如果你是一名學生，你可能每天都會看到你的老師在黑板上寫字。 黑板是你比整個宇宙更熟悉的東西，因為你可以看到它並觸控它。 你知道黑板、粉筆、標記、橡皮擦等的大小，因為它們就在手邊。 黑板比用粉筆在黑板上做的點大多少？ 事實證明，對於一塊中等大小的黑板和一個相當大的粉筆點，答案大約是一千。
現在讓我們考慮一下比黑板大一千倍的東西。 黑板大約幾米寬，所以我們要考慮一下大約幾公里寬的東西。 這就像一個小城市的規模。 如果一個城市比黑板大 1000 倍，而黑板比黑板上的標記大 1000 倍，那麼這是一種有用的聯絡，可以幫助我們思考一個城市的大小：我們可以說城市裡的黑板就像黑板上的標記一樣。
透過這種方式，我們現在將從城市邁向更大的宇宙。 每一步驟，我們都會考慮比上一步大（非常粗略地）一千倍的東西。 隨著我們的前進，我們旅程中的每一站都將比下一站小得多，就像黑板上的一個標記。
城市遠比我們用作參考點的黑板大，但它仍然是我們非常熟悉的東西。 許多人每天都會開車穿過他們家鄉的一部分並返回。 在大多數小城市裡，即使有交通燈，也可以在半小時內開車穿過，從一頭走到另一頭只需要幾個小時。 正如承諾的那樣，下一步將更大，也更遠離我們的日常經驗。 我們的下一站將有幾千公里的規模，那是地球的大小。
在汽車裡，你可以在不到一個小時的時間內開車穿過一個城市，即使是慢速行駛。 如果你可以以每小時 60 英里（每小時 100 公里）的速度繞地球行駛，晝夜不停地穿越陸地和水域，這將需要整整 17 天。 請記住，在每小時 60 英里的速度下穿過一個小城市只需要幾分鐘。 十七天遠比幾分鐘長得多。 最快的噴氣式飛機的最高速度約為每小時 2,000 英里（3,200 公里），可以更快地繞地球飛行。 以這樣的速度，你可以在 11 小時內繞地球一週。 即使是像這樣的速度，在我們繼續向宇宙深處移動時，也會很快變得不足。
地球的大小是巖質行星、類地行星的典型大小，但主要由氣體組成的行星，如木星和土星，要大出幾倍到十倍。 一般來說，我們可以期望相同型別的物體具有相似的特性。 在沒有關於行星的其他資訊的情況下，我們可能會猜測它的半徑與地球的半徑相同。 如果我們知道我們的假想行星是一個更大的氣態巨行星，我們可能會改變我們的估計，並猜測該行星的半徑與土星的半徑相同。
這個尺度代表了絕大多數人類的經驗。 只有少數人曾經進入地球軌道，而且這些人仍然非常靠近地球。 大多數發射的衛星都非常靠近地球。 例如，太空梭的軌道高度僅為幾百公里——地球半徑的百分之幾。 有些航天器被送往其他行星或月球，但大多數都停留在我們旅程中這一步的尺度上。 只有 24 人——阿波羅宇航員——曾經離開地球軌道去訪問我們旅程中的下一站。
隨著我們繼續前進，我們達到了大約 1000 倍地球周長的距離。 到月球的距離大約是地球直徑的 30 倍，因此月球在這步中很容易觸及，但剩餘距離中幾乎沒有其他東西。 最近的行星，火星和金星，超出了我們的範圍。 除了地球和月球外，我們發現地球附近的空間幾乎完全是空的，只有偶爾經過的小行星或彗星。
雖然考慮到包圍地球-月球系統的巨大空間，月球似乎很近，但我們應該記住，地球和月球實際上相距很遠。 如果我們能坐上汽車開車去月球，這趟旅程將需要五個多月的連續駕駛——每天 24 小時，每週 7 天。 如果我們的噴氣式飛機能飛到月球，那麼它需要五天才能到達那裡。 這些旅行現在變得更長了，但仍然可以管理。 徒步旅行要長得多——步行去月球需要九年！ 光在宇宙中比任何其他東西都快。 它的速度為每秒 300,000 公里（186,000 英里）。 以這樣的速度，光可以在一秒多一點的時間內到達月球。 這種距離，即光在一秒內傳播的距離，被稱為光秒。
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再往前一步，我們將接觸到大多數行星。 我們現在囊括了太陽系的大部分，包括太陽和所有圍繞它執行的物體。 這個尺度大約有 50 億公里寬，是地球和太陽之間距離的 30 倍。 從地球到太陽的距離是太陽系中測量的一個方便的標準，因此天文學家使用地球-太陽的平均距離作為標準單位，稱為天文單位 (AU)。 一個天文單位大約等於 9300 萬英里或 1.5 億公里。 我們可以說我們現在工作的尺度是 30 個天文單位，簡稱 30 AU。 以地球為中心的這個大小的盒子可以輕鬆地容納土星的軌道，但天王星、海王星和冥王星仍然太遙遠了。 在人類歷史的大部分時間裡，人們不知道這個盒子之外的太陽系天體存在。
請記住，我們的尺度比上一步增加了巨大的倍數，達到了 1000 倍。 使用我們的噴氣式飛機從地球飛往土星大約需要 50 年。 光從土星傳播到地球大約需要 80 分鐘，具體取決於地球和土星在軌道上的位置。 由於光從土星傳播到地球需要這麼長時間，我們在特定時刻看到的來自該行星的光實際上是在 80 分鐘前發出的。 這意味著我們看到的不是土星現在的狀態，而是 80 分鐘前的狀態。 這也意味著向太空望去就像回顧過去。 我們看得越遠，光就越古老。 對於土星來說，這並不重要，但隨著尺度的增加，它將變得越來越重要。
與之前一樣，我們可以用光速來衡量距離。 光秒是光在一秒內傳播的距離。 同樣，光分是光在一分鐘內傳播的距離。 這意味著土星距離我們 80 光分。 同樣，我們可以寫出土星距離我們 1.3 光時，這大約等於土星與太陽之間的距離。 土星的軌道遠大於地球的軌道，地球的軌道半徑只有 8 光分。 這是一個關於太陽系的驚人和重要的事實——巖質行星，類地行星，靠近太陽並彼此靠近執行，但巨大的氣態行星，類木行星，以更遠的距離執行，軌道間距更大。
我們旅程的下一步將涵蓋 30,000 AU 的距離，或半光年。 雖然這一步完全包圍了行星，但太陽系天體存在於更遠的距離。 這些天體形成了奧爾特雲——一個包圍太陽的巨大、稀疏的彗星區域。 奧爾特雲幾乎是空的，但它仍然存在。 在這一步中，我們只覆蓋了太陽影響範圍的一部分，並且大量奧爾特雲仍然超出了我們的範圍。 據認為，奧爾特雲從太陽延伸出去，最遠可達兩光年。
如果我們看看這一步之外，我們發現最近的恆星，比鄰星，距離大約四光年。 旅行者 1 號和 2 號將需要 80,000 年才能到達這顆恆星。 （這些飛船於 1977 年發射，速度為 51,500 公里/小時。） 隨著其他恆星進入視野，太陽將不再是主要的引力源。 這意味著我們可以預期太陽系會在我們開始接近其他恆星時真正結束。
我們的下一步將把我們置於一個 500 光年的盒子中。 這個尺度足以容納太陽、半人馬座 α 星以及許多其他恆星。 事實上，大約有 250,000 顆恆星距離地球 500 光年以內。 天文學家將這個區域稱為太陽附近區域。 正如我們所見，銀河系中的恆星相距很遠，它們之間有 vast stretches of mostly empty space。
太陽附近區域（以及整個空間）中的恆星大多又小又暗。 如果這些更暗的恆星距離我們更遠，它們就太暗了，無法從地球上看到。 更亮的恆星比較罕見，但它們可以從更遠的地方看到。 因此，從地球上看，兩種“型別”的恆星填充了天空：固有亮度低但附近的恆星，以及明亮且更遠的恆星。
隨著我們繼續向外旅行，我們看到隨機散佈的恆星形成了一個模式。 旋臂結構出現，我們看到地球、太陽系和附近的恆星聚集在一起，形成了一個有序的恆星系統，稱為星系。 我們的星系被稱為銀河系。
就像太陽系一樣，銀河系也呈扁平的圓盤狀，但銀河系要大得多。我們的銀河系包含數千億顆恆星，而太陽系只是其中的一員。太陽位於銀河系的旋臂上，距離中心約三分之二，它與所有其他恆星一起繞著銀河系的中心執行。如果銀河系長五十英里，太陽系就只是一顆筆尖大小的點。實際上，銀河系寬 10 萬光年，但只有幾千光年厚。
當我們開始向下一步邁進時，我們看到其他像銀河系一樣的星系開始出現。與銀河系中的恆星相比，星系之間排列得更加緊密，星系之間的碰撞更加常見。仙女座星系是離銀河系最近的星系，距離我們 250 萬光年，並且正在與地球發生碰撞。不過不用擔心，這場碰撞要 30 億年後才會發生。
在比上一步稍大的尺度上，我們看到星系聚集在一起。這些**星系團**通常包含數百個星系，跨度達數百萬光年。星系圍繞著星系團的中心執行。銀河系是室女座星系團的一員。它繞著星系團的邊緣執行，因此我們可以在天空中一個較小的區域內看到它的中心，這個區域位於室女座方向。目前，銀河系正在遠離室女座星系團的中心。然而，在遙遠的未來，星系團的引力將會減緩銀河系的執行速度，並將它拉回來。
雖然我們現在涵蓋了更多物體，但星系團的尺度並沒有比上一個尺度擴大 1000 倍。直到我們達到數億光年的尺度，我們才真正踏上了旅程的下一步。在這個尺度上，甚至星系團也會形成更大的集團。這些星系團的集團被稱為**超星系團**。一個超星系團可能包含數十萬個星系。室女座星系團是處女座超星系團的一員。
我們 5 億光年範圍的邊緣發出的光線在到達我們之前已經傳播了 5 億年。這意味著我們看到的是 5 億年前的處女座超星系團。五億年可能很長，但對於宇宙來說，還不夠長到發生顯著的變化。即使光線很古老，處女座超星系團邊緣的宇宙看起來仍然與附近的宇宙很相似。
當我們繼續從 5 億光年的尺度向外擴充套件時，我們看到的是越來越古老的宇宙部分。隨著距離變得非常大，我們開始看到數十億年前的宇宙，宇宙整體的重大變化變得很重要。越往回看，我們越能看到第一個星系團、星系和恆星的形成。最終，我們看到宇宙如此年輕，以至於還沒有形成恆星。在第一批恆星形成之前，宇宙冷卻到足夠密集，以至於太空中鬆散的、未使用的氣體可以阻擋可見光。在這之外，我們就再也看不清了。這堵牆內部的內容被稱為**哈勃體積**，也稱為可觀測宇宙。我們無法觀察到這個體積之外的物體，因為來自這些遙遠物體的光線還沒有到達我們。
宇宙無限延伸，但我們的視野僅限於哈勃體積。試圖到達哈勃體積的邊緣是不可能的。你永遠也無法到達它，因為它只是一個幻覺。如果你試圖到達我們看到哈勃體積邊緣的地方，你將看到你周圍的宇宙，就像它今天的樣子，而不是數十億年前，並且你將在你周圍看到哈勃體積的邊緣，距離數十億光年。
進一步延伸不可避免地會深入理論的領域，並且會跨越我們所看到的和我們無法看到的界限。一些人推測宇宙本身並不包含所有存在的事物，並且可能存在其他宇宙，這些宇宙具有不同的物理定律，它們在多元宇宙中以叢集和群體的方式共同存在。
當我們越往外看，許多人注意到一定有一個邊緣、一個盡頭、一個現實的邊界。另一些人推測宇宙，或者它所處的多元宇宙，是無限的，沒有這樣的邊界。然而，在目前，對於這些問題還沒有絕對的答案。
關於宇宙是什麼樣的，還有很多未知之處，但自從人類開始思考周圍的世界以來，我們對宇宙的認識已經發生了巨大的變化。天文學家懷著好奇心和科學工具，幾個世紀以來一直在探索天體，他們的工作今天還在繼續。
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