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宇宙的尽头是什么？

地球是宇宙中有生命的孤岛？

恒星的一生都经历了什么？

宇宙创生之初到底发生了什么？

宇宙的未来是永恒的黑暗、寒冷、空无一物？

这趟宇宙科学之旅中精选了12个重要的主题：日心说和地心说、天文距离测量简史、标准烛光、银河系的大小、可观测宇宙的大小、宇宙膨胀、暴涨、宇宙大爆炸、宇宙微波背景、恒星的一生、暗物质与暗能量、宇宙的终极命运。

作者像你的小伙伴一样给你讲故事，轻松活泼，娓娓道来，带你神游宇宙，思接千载，心游万仞。

强烈推荐给对世界充满好奇心的8-120岁的“少年”。

1 日心说和地心说 / 1

2 天文测距简史 / 15

3 标准烛光 / 28

4 银河系的大小 / 42

5 可观测宇宙的大小 / 61

6 宇宙膨胀 / 77

7 暴胀 / 89

8 宇宙大爆炸 / 103

9 宇宙微波背景辐射 / 114

10 恒星的一生 / 125

11 暗物质与暗能量 / 143

12 宇宙的终极命运 / 155

王爽，中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师。多年致力于宇宙学的研究，已发表SCI论文30多篇，总引用2000多次。知名科普作家，代表作《宇宙奥德赛》系列。曾荣获包括“第七届中华优秀出版物奖图书奖”“第六届中国科普作家协会优秀科普作品奖金奖”“中国出版协会2017年度30本好书”“国家新闻出版署2018年度向全国青少年推荐百种优秀出版物”“第三届广东十大科学传播达人”和“2019年广东科普十大好作品”在内的一系列或省部级科普奖项。粉丝数超过300万的新浪微博知名科学科普博主，#宇宙奥德赛#话题阅读量超过12亿。

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◆如果想2小时游历宇宙，选这本书没错！

延伸阅读：“基础前沿科学史丛书”包括《给青少年的宇宙科学》《给青少年的物质科学》《给青少年的生命科学》《给青少年的脑科学》《给青少年的量子科学》

书摘插图

5、可观测宇宙的大小

上节课的结尾，我们提出了这样一个问题：整个宇宙到底有多大 ? 为了给你一个更直观的感受，我将用比喻的方式来回答这个问题。

如果把太阳系想象成一栋别墅，那么地球就是这栋别墅里的一颗玻璃珠。

4000 亿栋“别墅”合在一起，构成了一个“中心城区”。这个“中心城区”叫银河系。

银河系和另外一个“中心城区”（即仙女座星系），再加上周边的 50 个小型星系，就构成了一座“城市”这座“城市”叫本星系群。

本星系群只是一座“小城”。在离它 5000 万光年远的地方还有一座拥有 2000 个星系的“大城市”，叫室女座星系团。以这个室女座星系团为“省会”，再加上方圆 1 亿光年内的 100 多个“城市”，就构成了一个“省”。这个“省”叫室女座超星系团。

室女座超星系团只是 4 个“省”之一。这 4 个“省”像群山一样，环绕着一个位于中心谷地处的“首都”（即巨引源，与地球相距 2.2 亿光 年，其质量能达到银河系的 10000 倍）。这样一来，就在直径 5 亿光年的空间范围内，构成了一个地形如同巨大山谷的“国家”。这个“国家”叫拉尼亚凯亚超星系团。

拉尼亚凯亚超星系团并不是一个“大国”。它连同周边的 4 个“国 家”，构成了一个“国家联盟”，叫双鱼 - 鲸鱼座超星系团复合体。此“国家联盟”的盟主是双鱼 - 鲸鱼超星系团，其疆域至少能达到 10 亿光年。

横跨 10 亿光年的双鱼 - 鲸鱼座超星系团复合体，依然不是宇宙中的结构。在它之上还有所谓的星系长城，相当于“大洲”。比较有名的“大洲”包括横跨 14 亿光年的史隆长城，横跨 40 亿光年的巨型超大类星体群，以及横跨 100 亿光年的武仙 - 北冕座长城。而这个与地球相距 100 亿光年的武仙 - 北冕座长城，就是人类目前所发现的结构。

而诸多“大洲”又构成了一个直径 930 亿光年的“星球”。这个“星球”就是我们的可观测宇宙（所谓的可观测宇宙，是指以地球为中心、用望远镜能够看到的宇宙范围。它只是整个宇宙的一小部分）。

我们已经对宇宙的大小做了一个简要的介绍。你可以把我们能够看到的宇宙，想象成一个直径 930 亿光年、拥有至少几千亿个星系的巨大“星球”。那接下来，就让我们坐上宇宙飞船，按由近及远、由小到大的顺序，来好好看看这个浩瀚的宇宙。

首先参观我们住的这个“别墅”，即太阳系。

太阳系的主宰是太阳。其质量能达到 200 万亿亿亿千克，是地球的 33 万倍，占太阳系总质量的 99.86%。正因为如此，太阳系内的所有其他天体都必须臣服于它，并且周而复始地围绕它旋转。

太阳系总共有 8 环：从内到外，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。值得一提的是，里面的 4 个都是岩质行星，也就是以硅酸盐岩石为主要成分的行星；在岩质行星的中心，一般都有一个以铁为主的金属内核。而外面的 4 个都是气态行星，也就是外层区域由气体构成的行星；其中木星和土星的外层主要成分是氢气和氦气，而天王星和海王星的外层则包含大量比氢和氦更重的化学元素；所有气态行星的中心，同样有由岩石和金属所构成的坚固内核。

此外，太阳系内还有两个小行星聚集的区域，一个是位于 4 环和 5环间的小行星带，另一个是位于 8 环以外的柯伊伯带。曾是太阳系第 9大行星的冥王星，就位于这个柯伊伯带。在柯伊伯带之外，还有一个包裹着太阳系、直径约为 2 光年的神秘球状云团，叫作奥尔特云，它是很多长周期彗星的故乡。而这个奥尔特云，就是太阳系“别墅”的外墙。

其次参观我们住的这个“城区”，即银河系。

在银河系的正中心，盘踞着一个质量能达到太阳质量 400 多万倍的巨大黑洞，叫人马座 A*。在它的周围有一个恒星相当密集的棒状区域，其长度约为 1 万光年（因为中心区域是棒状的，银河系被称为棒旋星系）；这个棒状区域是一个巨大的恒星“育婴室”，其中包含着大量的新生恒星。中心黑洞和棒状区域，统称为银心。

在银心之外，是一个直径接近 10 万光年的盘状结构，称为银盘。正如图 9 所示，在银盘上有几个恒星比较密集的区域：其核心特征是从银心附近出发，螺旋式地向外延展。这些银盘上的恒星密集区域就是所谓的旋臂。银河系的主要旋臂有 4 条：其中青色的是三千秒差距 - 英仙旋臂，紫色的是矩尺 - 天鹅旋臂，绿色的是盾牌 - 半人马旋臂，红色银河系的旋臂，就像风车一样不断绕银河系中心旋转。需要强调的是，旋臂里的恒星构成并非固定不变。为了便于理解，你可以把旋臂想象成银河系“城区”的交通拥堵区域。因为不断有恒星进入这些区域，同时又不断有恒星离开，所以总体来看，这些交通拥堵区域会一直存在。恒星拥堵区域，这就是旋臂的本来面目。的是船底 - 人马旋臂（图 9 中的虚线代表这些旋臂在理论上存在、但实际上尚未观测到的部分）。除了这 4 条主要旋臂以外，还有一些次要 旋臂，例如，图 9 中橙色的猎户旋臂。我们住的太阳系“别墅”，就位于这个猎户旋臂中。换句话说，我们其实住在银河系“城区”中一个比较荒凉的地段。

而在银盘之外还有一个球状区域，称为银晕。不同于银心和银盘，银晕内部只是稀稀落落地分布着一些非常古老的恒星和球状星团。你可以把银晕当成是银河系的恒星“养老院”。

由银心、银盘和银晕这 3 大部分构成的、直径约为 10 万光年的空间区域，就是我们住的银河系“城区”（也有一些天文学家主张，在银晕之外还有银冕，这样银河系的直径能达到将近 20 万光年）。

然后参观我们住的“城市”，即本星系群。

在本星系群中有两个中心城区，也就是银河系和仙女座星系。而这两大中心城区还各有一群小弟，也就是所谓的矮星系 a。

我们居住的银河系，大概拥有 4000 亿颗恒星；而在它的周围，大概有 30 多个矮星系。其中离地球近的是大犬座矮星系和人马座矮椭球星系，而名气的则是大小麦哲伦星云。大部分矮星系就像卫星一样绕银河系公转，因而也被称为卫星星系。其他矮星系则只是从银河系周围飞掠而过。

另一个中心城区，是与地球相距 254 万光年的一个旋涡星系，即仙女座星系。仙女座星系是本星系群中无可争议的老大，其直径能达到a矮星系是宇宙中质量小、亮度弱的一类星系。不过矮星系的数量远远超过大星系。22 万光年，而质量能达到太阳质量的 1.5 万亿倍。类似于银河系，在仙女座星系中心，同样盘踞着一个超大质量的黑洞，其质量能达到太阳质量的 1 亿倍，是银河系中心黑洞质量的 20 多倍。

仙女座星系之所以能成为本星系群的霸主，是因为它已经吞并了大量的矮星系。比较有名的例子，是位于仙女座星系内部的一个非常巨大的球状星团，编号 G1。一般的球状星团包含的恒星数量，都在几百个到几万个之间；而 G1 包含的恒星数量，能达到好几百万个。所以天文学家普遍相信：G1 是一个矮星系被仙女座星系吞并后，所剩下的致密核心。

惊悚的是，天文观测表明，仙女座星系正在以每秒 110 千米的速度，向银河系飞驰而来。大概再过 40 亿年，两者就会发生碰撞，终并合成一个巨大的椭圆星系（按照形状，星系可以大致分为 3 类，分别是旋涡星系、椭圆星系和不规则星系）。

前言

2017年夏天，我开始规划一场名为“宇宙奥德赛”的环游宇宙之旅。

下图就是宇宙奥德赛之旅的规划图。旅程的前半段是空间之旅。我们从地球出发，按照由近及远的顺序，依次游历以太阳系为代表的行星世界、以银河系为代表的恒星世界和银河系之外的星系世界，终到达宇宙的尽头，同时也是时间的起点。旅程的后半段则是时间之旅。我们会从宇宙创生的时刻出发，在时间长河中顺流而下，依次探寻宇宙起源、生命诞生和宇宙命运的奥秘，并终回到今天的地球。旅程结束后，我们就能真正了解人类终极的三大哲学问题（我是谁？我从哪里来？我将往何处去？）的答案。

     图中除“地球”和“宇宙”以外的每一个圆，都代表一本科普书。换言之，我计划用6本科普书的篇幅，来完成这场宇宙奥德赛之旅。

“宇宙奥德赛”系列的前两本书，《宇宙奥德赛：漫步太阳系》和《宇宙奥德赛：穿越银河系》，目前的豆瓣评分分别为9.1和9.2，双双跻身于读者口碑好的中国本土科普书之列。此系列的第三本书，《宇宙奥德赛》也将于今年年底出版。

今年年初，清华大学出版社的胡洪涛主任问我，能不能写一本为青少年介绍宇宙科学的科普书。很自然地，我就想到可以写一个宇宙奥德赛之旅的简略版，也就是本书。

本书的逻辑主线，就是上图所展示的宇宙奥德赛之旅。我从这趟环游宇宙之旅中精选了12个重要的主题，包括日心说和地心说、天文距离测量简史、标准烛光、银河系的大小、可观测宇宙的大小、宇宙膨胀、暴涨、宇宙大爆炸、宇宙微波背景、恒星的一生、暗物质与暗能量、宇宙的终极命运。前6个主题，描述了前半段的宇宙空间之旅；而后6个主题，则描述了后半段的宇宙时间之旅。对这12个精选主题的阅读，可以为你构建一个关于宇宙的知识体系的骨架。

写作手法上，本书有两个核心的特点：1. 内容可视化。全书几乎没有数学公式，所有科学知识都转化成了可视化的物理图象，再用通俗易懂的比喻来加以解释。2.故事驱动。为了增加趣味性，书中穿插了大量的科学家的逸闻趣事。此外，我也借鉴了评书的创作技巧，在每一章的结尾都留下了一个承前启后的科学问题。相信你能感受到此书中倾注的心血和诚意。

准备好了吗？那我们就开始这场环游宇宙之旅吧。