宇宙是由什么组成的

宇宙是有限的还是无限的？有没有中心，有没有边？有没有生老病死，有没有年龄？宇宙是由什么组成的？这些恐怕是自从有人类的活动以来就一直被关心的问题。

我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（注：2006年8月24日于捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学联合会大会上，位居太阳系九大行星末席70多年的冥王星，最终以237票赞成、157票反对、17票弃权的表决结果，被逐出太阳系九大行星之列。至此，传统意义上的太阳系九大行星，变为八大行星）。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。它们都是离我们地球较近的，是人们了解得较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？

恒星和星云

晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星。它们绝大多数是恒星，由炽热气体组成的，是像太阳一样本身能发光发热的球状或类球状的天体。我们银河系内就有1500亿～2000亿颗恒星。

恒星都是大质量、明亮的气体星球。太阳是离地球最近的恒星，也是地球能量的来源。白天由于有太阳照耀，无法看到其他的恒星；只有在夜晚的时间，才能在天空中看见其他的恒星。恒星一生的大部分时间，都因为核心的核聚变而发光。核聚变所释放出的能量，从内部传输到表面，然后辐射至外太空。几乎所有比氢和氦更重的元素都是在恒星的核聚变过程中产生的。恒星天文学是研究恒星的科学。

天文学家经由观测恒星的光谱、光度和在空间中的运动，可以测量恒星的质量、年龄、金属量和许多其他的性质。恒星的总质量是决定恒星演化和最后命运的主要因素。其他特征，包括直径、自转、运动和温度，都可以在演变的历史中进行测量。描述许多恒星的温度对光度关系的图，也就是赫罗图（HR图，恒星光谱型和光度的关系图），可以测量恒星的年龄和演化的阶段。

恒星诞生于以氢为主，并且有氦和微量其他重元素的云气坍缩。一旦核心有足够的密度，有些氢就可以经由核聚变的过程稳定的转换成氦。恒星内部多余的能量经过辐射和对流组合的携带作用传输出来；恒星内部的压力则阻止了恒星在自身重力下的崩溃。一旦在核心的氢燃料耗尽，质量不少于0.5太阳质量的恒星，将膨胀成为红巨星，在某些情况下更重的化学元素会在核心或包围着核心的几层燃烧。这样的恒星将发展进入简并状态，部分被回收进入星际空间环境的物质，将使下一代恒星诞生时正元素的比例增加。

恒星并非平均分布在星系之中，它们常常爱好“群居”，有许多是“成双成对”紧密地靠在一起，并按照一定的规律互相绕转着，称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是10颗以上，甚至成千上万颗恒星聚在一起，形成相互之间存在物理联系（引力作用）的星群，便称之为星团。银河系里已发现了1000多个这样的星团。

在恒星世界中有一些亮度会发生变化的星——变星，狭义上是指亮度有显著起伏变化的恒星。一些恒星在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化，这种恒星现在也称变星，如光谱变星、磁变星、红外变星等。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律，现在已发现20000多颗变星。在变星中还有一些比较特殊的种类，比如有一些时候，遥望星空，你可能会惊奇地发现：在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星！然而仅仅过了几个月甚至几天，它又渐渐消失了。这种“奇特”的变星叫做新星或者超新星。

除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。星云包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成分是氢，其次是氮，还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究还发现含有有机分子等物质。

在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，充满着稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。

银河系及河外星系

随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上，对宇宙的结构建立了立体的观念。其中第一个重要的发展是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。

此外重要的是，并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。对天穹上的某个光点，只有测定它的距离，才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上，天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，但如果用大望远镜看，就会发现，它们不是弥漫的气体和尘埃，而是由可以分辨的一颗颗恒星组成的，形状也像一个旋涡。它们是与银河系类似的天体系统，距离都超出了银河系的范围，因此我们称它们为河外星系。河外星系与银河系一样，也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成。现在已知道存在100亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。

关于河外星系的发现过程可以追溯到200多年前。法国天文学家查尔斯·梅西耶（1730—1817年）为星云编制的星表中，一个编号为M31的星云在天文学史上有着重要的地位。初冬的夜晚，熟悉星空的人可以在仙女座内用肉眼找到它——一个模糊的斑点，俗称仙女座大星云。从1885年起，人们在仙女座大星云里陆陆续续地发现了许多新星，从而推断出仙女座星云不是一团通常的、被动地反射光线的尘埃气体云，而一定是由许许多多恒星构成的系统，而且恒星的数目一定极大，这样才有可能在它们中间出现那么多的新星。如果假设这些新星最亮时候的亮度和在银河系中找到的其他新星的亮度是一样的，那么就可以大致推断出仙女座大星云离我们十分遥远，远远超出了我们已知的银河系的范围。由于用新星来测定的距离并不很可靠，因此也引起了争议。直到1924年，美国天文学家哈勃用当时世界上最大的2.4米口径的望远镜在仙女座大星云的边缘找到了被称为“量天尺”的造父变星，利用造父变星的光变周期和光度的对应关系才定出仙女座星云的准确距离，证明它确实是在银河系之外，也像银河系一样，是一个巨大、独立的恒星集团。因此，仙女星云应改称为仙女星系。

而星系又可以细分成不同种类。目前的星系分类法是哈勃在1926年提出的，分为下列几种。

椭圆星系：椭圆星系是河外星系的一种，呈圆球形或椭球形。中心区最亮，亮度向边缘递减，对距离较近的，用大型望远镜可以分辨出外围的成员恒星。椭圆星系根据哈勃分类，按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3、…、E7共8个次型，E0型是圆星系，E7是最扁的椭圆星系。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分，其中以椭圆星系的质量差别最大。

漩涡星系：太阳系所处的银河系是一个漩涡星系，主要由质量和年龄不尽相同的数以千亿计的恒星和星际介质（气体和尘埃）所组成。它们大都密集地分布在银河系对称平面附近，形成银盘，其余部分则散布在银盘上下近于球状的银晕里。恒星和星际介质在银盘内也不是均匀分布的，而是更为密集地分布在由银河中心伸出的几个螺旋形旋臂内，呈条带状。一般分布在旋臂内的恒星，年轻而富金属，并多与电离氢云之类的星际介质成协。而点缀在银晕里的恒星则是年老而贫金属的。其中最老的恒星年龄达150亿年，有的恒星早已衰老并通过超新星爆发将内部所合成的含有重元素的碎块连同灰烬一起降落到银盘上。

透镜星系：在椭圆星系中，比E7型更扁的并开始出现旋涡特征的星系，被称为透镜星系。透镜星系是椭圆星系向旋涡星系或者椭圆星系向棒旋星系的过渡时的一种过渡型星系。

不规则星系：外形不规则，没有明显的核和旋臂，没有盘状对称结构或者看不出有旋转对称性的星系，用字母Irr表示。在全天最亮星系中，不规则星系只占5%。 按星系分类法，不规则星系分为Irr I型和Irr II型两类。 I型的是典型的不规则星系， 除具有上述的一般特征外，有的还有隐约可见不甚规则的棒状结构。它们是矮星系，质量为太阳的1～10亿倍，也有可高达100亿倍太阳质量的。

从河外星系的发现，可以反观我们的银河系。它仅仅是一个普通的星系，是千亿星系家族中的一员，是宇宙海洋中的一个小岛，是无限宇宙中很小很小的一部分。

20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系以外像恒星一样表现为一个光点的天体，但实际上它的光度、质量和星系一样，我们称它为类星体。现在已发现了数千个这种天体。

当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的“介质”，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。

星系团

星系的空间分布不是无规则的孤立地分散在宇宙之中，它们也会聚集起来形成一个个集团。这些集团中存在着一种被自然数星系际介质的高温气体保卫，这些扭转的质量相当于星系集团中所有星系质量的总和。科学家通过力学的方法对星系集团的质量进行测定，发现这些星系集团的质量远远大于星系和气体质量的总和，这些多出质量的来源被称为暗物质。这种由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团。

星系团按形态大致可分为规则星系团和不规则星系团两类。规则星系团以后发星系团为代表，大致具有球对称的外形，有点像恒星世界中的球状星团，所以又可以叫球状星系团。规则星系团往往有一个星系高度密集的中心区，团内常常包含有几千个成员星系，其中至少有1000个的绝对星等亮于-16等。规则星系团内的成员星系全部或几乎全部都是椭圆星系或透镜星系。近来发现这种星系团往往又是X射线源。

不规则星系团，又称疏散星系团。它们结构松散，没有一定的形状，也没有明显的中央星系集中区，例如武仙星系团。它们的数目比规则星系团更多。大的不规则星系团的成员星系数多达2500个以上；小的只包含几十个甚至更少的成员星系，银河系所在的星系团就属这一类。范围比较大的不规则星系团可以有几个凝聚中心，在团内形成一种次一级的成群结构。整个星系团就是这些较小群的松散集合体，又可称为星云或超星系。不规则星系团总是各种类型星系的混合体，其中往往以暗星系占绝对优势，这也是与规则星系团的不同之处。另外，就目前所知，只有少数不规则星系团发射X射线。

当然，在宇宙中大约只有10%星系属于大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个层次。

大尺度结构

人们把10Mpc（兆秒差距）以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。

有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状，即有许多看不到星系的“空洞”区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。这是否符合事实，以及这尺度有多大，都是十分重要，并需要有大尺度观测才能回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在这个问题，是人们热烈争论中的焦点。若把星系看成宇宙物质的基本单元。那么，星系的分布状况就是宇宙结构的表现。

上面只是我们对宇宙面貌的初步认识，对宇宙更深层次的了解需要科学技术的进一步发展。

黑洞与白洞

宇宙中存在着一种神秘而又恐怖的天体，传说中它能吞噬一切，就连光也不能逃脱。它的名字就叫做“黑洞”。它的定义是：由一个只允许外部物质和辐射进入而不允许物质和辐射从中逃离的边界即视界所规定的时空区域。

所以说黑洞是一种引力极强的天体，而它其实是由恒星演化而来。当一些恒星的半径小到一定程度，即小于史瓦西半径时（史瓦西半径是任何具重力的质量之临界半径。在物理学和天文学中，尤其在万有引力理论、广义相对论中它是一个非常重要的概念），就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。

由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。于是对吸积黑洞光度和光谱的分析为黑洞的存在提供了强有力的证据。

再比如因恒星形成黑洞所造成的时空扭曲改变了光线的路径，使之和原先没有黑洞情况下的路径不一样。光在黑洞附近向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，也可以看到这种偏折现象。当该恒星向内坍塌时，其质量导致的时空扭曲变得很强，光线向内偏折得也更强。就这样通过观察光线的偏折也可以推测出黑洞的存在。

另外，黑洞并不是实实在在的星球，而是一个几乎空空如也的天区。黑洞又是宇宙中物质密度最高的地方，地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大。原来，黑洞中的物质不是平均分布在这个天区的，而是集中在天区的中心。这些物质具有极强的引力，任何物体只能在这个中心外围游弋。一旦不慎越过边界，就会被强大的引力拽向中心，最终化为粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一个名副其实的太空魔王。

通过对黑洞的研究，科学家们又提出新的设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，那么也许白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做奇异点的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐”出来。然后物质就到达了另一个宇宙（第一平行宇宙）。这种假设在理论上是成立的，但仍需要有相关数据与研究成果的支持。

以现在天文科学的发展水平，黑洞和白洞对人类来说仍充满了不可解释的谜团，我们仍无法知道黑洞的质量、大小、结构，以及白洞到底是否存在。但随着科学技术的发展或许一切都会得到解答。

虫洞

神秘黑洞的存在还尚有迹可寻，而黑洞还引带出另一种存在于宇宙中神秘莫测的奇特现象——虫洞。

虫洞又称爱因斯坦-罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是20世纪30年代由爱因斯坦及美籍以色列裔物理学家纳森·罗森（1909—1995年）在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。但这个假设发展到现在，已出现以下三种看法。

一是空间中的隧道。它就像一个球，你要是沿球面走就远了。但如果你走的是球里的一条直径就近了，虫洞就是直径。

二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个入口，白洞则可以产生一个出口。宇宙是三维的，将黑洞与白洞的出入口看作第四维，那么虫洞就是连接它们的第五维。

三是时间隧道。根据爱因斯坦学说，你可以进行时间旅行，但你只能看，就像看电影，却无法改变发生的事情，因为时间是线性的，事件就是一个个珠子已经穿好，你无法改变珠子也无法调动顺序。

其中最被接受的还是第二条。因为虫洞的概念最初产生于对史瓦西解（又称史瓦西几何，是德国物理学家卡尔·史瓦西于1915年针对广义相对论的核心方程——爱因斯坦方程——关于球状物质分布的解）的研究中。自从在史瓦西解中发现了虫洞，物理学家们就开始对虫洞的性质发生了兴趣。物理学家在分析白洞解的时候，通过一个阿尔伯特·爱因斯坦的思想实验，发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径，也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。

虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质。在这里，虫洞成为一个爱因斯坦—罗森桥，物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即爱因斯坦—罗森桥）被传送到白洞并且被辐射出去。

基于以上的推论与研究，在20世纪50年代，已有科学家对“虫洞”作过研究，由于当时条件所限，一些物理学家认为，仅仅在理论上也许可以使用“虫洞”做时空穿越。然而事实上“虫洞”的引力过大，会毁灭所有进入的东西，因此不可能用在宇宙航行上。

随着科学技术的发展，新的研究发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”, “反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“反物质”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“反物质”。

据科学家猜测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万千米的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。科学家指出，如果把“负质量”传送到“虫洞”中，把“虫洞”打开，并强化它的结构，使其稳定，就可以使太空飞船通过。

总之，目前我们对黑洞、白洞和虫洞的本质了解还很少，它们还是神秘的东西，很多问题仍需要进一步探讨。目前天文学家已经间接地找到了黑洞，但白洞、虫洞并未真正发现，还只是一个经常出现在科幻作品中的理论名词。