令人叹为观止的艺术汇集:整个可观测宇宙的对数视图

宇宙是所有时间、空间及其所包含的内容物所构成的统一体,它包含了行星、恒星、星系、星系际空间等。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93×10^9光年。从几千公里的地球尺度,到达千亿光年的可观测宇宙尺度,从地球这里到宇宙视界是很长很长…..的路。

如此庞大的可观测到宇宙,如果用线性尺度来描述,显然难以全景描述,但是,如果用10的对数尺度来描述,那么目前人类可观测到的约93×10^9光年的宇宙距离,也就成为了只有约10来个数量级别的对数坐标绘制图。

这样,我们可以放眼更大的宇宙尺度时,我们对广阔的宇宙就有了更为广阔的视野,最终揭示了最为宏观的景象。下面让我们看看用这样的对数视图来具体描绘的、令人惊奇、叹为观止的整个可观测宇宙的对数视图,一个奇妙的艺术汇集。

图示:这张水平方向的宇宙对数图显示了我们如何从左到右,从地球大小的尺度到最大的宇宙距离。尽管这种对数视图非常壮观,但它“仅仅”跨越了大约20个数量级:从地球的大小(左端)到当今宇宙视界的大小及其可视的边界(右端)。

从地球到整个可观测的宇宙边缘,是“一段”很长很长…..的路,地球人望眼欲穿…..:

图示:可观测宇宙的对数尺度概念。太阳系让位给银河系,银河系让位给附近的星系,然后让位给大尺度结构和外围大爆炸的炽热致密等离子体。我们可以观察到的每条视线都包含所有这些时期,我们站在地球上望眼欲穿…..。

我们所看到的这个看似巨大的“微小家园”的世界,“只有”区区12,742公里宽:

图示:这张由宇航员凯伦·尼伯格于2013年从国际空间站拍摄的图像显示了马斯卡林高原南部最大的两个岛屿:前景中的留尼汪岛和部分被云层覆盖的毛里求斯岛。要从国际空间站的高度观察地球上的人类,需要一台哈勃大小的望远镜。人的尺寸不到地球的5百万分之一,但地球只是宇宙海洋中的一滴水,直径仅有“区区”一万多公里。

我们通常会线性思考:比起诺大的宇宙,太阳距离只是地球直径的区区约1万倍:

图示:内太阳系中行星的轨道并不完全是圆形的,但它们非常接近,水星和火星的偏离最大,椭圆率最大。在这些“按比例”的距离尺度上,各个行星,甚至太阳,只占据一个像素。在许多方面,线性比例尺是描绘宇宙空间深度的糟糕选择。

但在宇宙中,对数尺度——其中每个乘法因子“10”定义了我们宇宙标尺上的另一个标记——为我们提供了更好的视野:

图示:地球的直径近13,000公里,与地球和月球之间的宇宙距离相比,或者与更壮观的是地球和太阳之间的宇宙距离相比,它是非常微小。但是对数尺度给了我们一个截然不同的视角,使我们能够在单个视觉图像中视察不同的距离尺度。

图示:与奥尔特云的范围相比,内太阳系,包括行星、小行星、气态巨行星、柯伊伯带等,在规模上是微不足道的。塞德娜是唯一一个远日点很远的大型天体,它可能是内奥尔特云最里面的一部分。在线性尺度上,在单个图像中描绘整个太阳系是非常有限的。

图示:在太阳系中,我们通常以天文单位 (AU) 来测量距离,其中地球与太阳的距离为1天文单位。水星和火星距离地球约1个天文单位,土星约10个天文单位,柯伊伯带在约100个天文单位之前结束,奥尔特云主要存在于约10,000个天文单位内。这在线性尺度上是一个巨大的距离,但在对数尺度上只有几个“10次幂”的距离。

图示:这张长时间曝光的图像捕捉到了南半球ALMA天文台上方的许多明亮恒星、恒星形成区域和银河系平面。最近的恒星距离奥尔特云只有几光年远:距离奥尔特云边缘不到10倍距离。但是,肉眼仍然可以看到可能在数万光年之外的更遥远的恒星与其特征。

图示:地球附近许多最亮的恒星都是猎户 臂的成员,猎户座臂本身就是银河系更大、更宏伟的英仙座臂的一个小分支。从几光年外的最近恒星到几千光年外的这些手臂,在对数尺度上仅代表“10”的三个对数因子。

图示:盖亚相对我们银河系和邻近星系的全天空视图。这些图显示了恒星的总亮度和颜色(上)、恒星的总密度(中)和充满银河系的星际尘埃(下)。值得注意的是,平均而言,每平方度大约有1000万颗恒星,但某些区域,如银河平面或银河中心,其恒星密度远高于整体平均水平。

图示:英仙座旋臂通向全尺度银河系,本星系群中的其他星系仅位于全尺度银河系之外的“10”倍。其中的另一个对数因子将我们带到大型星系团,甚至接近最近的星系团。

图示:拉尼亚凯亚超星系团包含银河系、当地的星系团、处女座星系团,以及临近的许多较小的星系团和星系团,包括M81星系团。然而,每个群体和星团都只与自己绑定,并且由于暗能量和我们不断膨胀的宇宙,它们将与其他群体分开。1000亿年后,即使是我们本星系群之外最近的星系也将距我们大约10亿光年远,使其比今天出现的最近星系还要暗淡数千甚至数百万倍。

图示:对数距离中几个“10”的因子将最近的星系(位于几十万到几百万光年之外)与数亿或可能十亿规模的大规模集群特征分开。在这些尺度上,宇宙最大的边界特征开始出现。

图示宇宙网的增长和宇宙中的大尺度结构,这里显示的膨胀本身是向外扩展的,随着时间的推移,宇宙会变得更加聚集。最初很小的密度波动会发展成一个宇宙网,其中有很大的空隙将它们隔开,但看起来最大的壁状和超星系团状结构可能不是真实的、束缚的结构,因为后期暗能量将它们驱动分开。

图示:这里看到的最大特征,如“长墙”和“大型类星体群”可能不是宇宙学束缚结构,而是明显的假设结构,由于它们的质量累积,引力不足以将它们束缚。在最大的宇宙尺度上,暗能量将所有事物驱散开。

图示:我们最深的星系调查可以揭示数百亿光年外的物体,但即使有理想的技术,最远的星系与大爆炸之间也会有很大的距离差距。在某些时候,我们的仪器根本无法将它们全部揭示出来,而宇宙微波背景的发射与第一颗恒星的形成之间的差距最终将明确地向我们揭示。

图示:这张宇宙对数视图在垂直方向的纵坐标上跨越了近20个数量级,将我们从地球带到了整个可见宇宙的边缘。横坐标右侧比例尺上的每个大“标记”对应于距离比例增加10倍(1个对数数量级)。

感谢艺术家巴勃罗·卡洛斯·布达西创造了这个精美艺术,带给我们这个令人惊奇的宇宙之旅。从地球看宇宙,望眼欲穿、尽收眼底。

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