NASA公布2300萬光年外的星系煙火,天文學家如何理解宇宙?

美國航空航天局(NASA)官網公布了一張2300萬光年外的銀河「美照」：巨大黑洞、衝擊波、大量氣體交織，仿佛一場絕美的煙火秀正在上演。一個星系有千億顆恆星，又有上千億個這樣的星系，組合在一起。科學家如何研究這些星系是怎麼形成的呢，又如何去理解這些結構的呢？

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院紫金山天文臺馮瓏瓏：

美麗浪漫的宇宙

今天我想通過天文中的一些現象，給大家解讀關於宇宙演化的一段歷史。

首先給大家看一張銀河系的照片。這張照片拍攝的地點在青海的冷湖地區，那裡是一片無人區，有18000平方公裡。

銀河系（鄧李才拍攝）

這張照片是我的同行鄧李才研究員拍攝的。我們當時是為了去西部選址，想為未來要建設的天文臺找一個落腳的地方。

大家一定會好奇這張照片是用什麼設備拍的？這張照片是用一個國產的非常小眾的手機拍攝的，我覺得非常震撼。

下面我再給大家演示幾張用最先進的哈勃空間望遠鏡拍攝出來的，宇宙中一些特別壯觀的場景。

我們先看幾張充滿浪漫色彩的照片。

這張叫「一箭穿心」。大家能看到一個很大的圓環，圓環中心有一塊非常紅的部分，實際上是一個星系。

一箭穿心 車輪星系 Cartwheel Galaxy

另外有一個小星系就像丘比特的箭一樣，一下子就穿過去了，在這個星系當中激起了陣陣漣漪，最後形成了周邊一些非常漂亮的圖案。

另外一張叫「糾纏不清」。大家可以看到，這是兩個糾纏在一起的星系，每個星系和銀河系一樣，裡面包含著千億顆像太陽一樣的恆星。

糾纏不清 NGC2207 & IC2163（Optical(Hubble)）

這兩個星系很多年前曾經發生過一次非常近距離的接觸，但是後來又分開了，它們最後的命運是通過碰撞過程匯合在一起，我們稱為合併。

有趣的是，這兩個星系在糾纏過程中，也在孕育新的生命，在它們的交合處，有大量新的恆星在不斷生成。

上面兩張照片展示的是比較浪漫的場景，我再給大家看一個比較劇烈的場景。

這張照片叫「弱肉強食」，實際上就是一場星系的戰爭。

弱肉強食 蜘蛛網星系 Spiderweb Galaxy

宇宙中不斷發生著這些故事。一個很大的星系不斷吞噬周邊一些小的星系，如果有一個跟它差不多大小的星系，它們碰在一起，最後的結局就是兩個星系併合起來。

如果把每一個星系看成一個點，天文觀測對整個宇宙做一次普查，我們會看到以下場景。

宇宙網絡

這是美國SLOAN（斯隆）基金會贊助的巡天計劃給出的非常漂亮的宇宙星系的分布動態圖，我們把它稱為宇宙網絡。

這當中有很多纖維結構，還有一個長城結構，除此以外還有一些非常大的空洞結構，這些空洞結構都是上千萬光年以上的量級。

天文學一個很重要的領域，就是用物理學的方法，去研究這些結構是怎麼形成的。

宇宙演化的動力和種子

在人類歷史上所有的文明中，大家都認同一個觀點，所有事物的發展都是由簡單到複雜。

這個觀點實際上是一種演化的觀點，在老子的《道德經》中就可以看到。《道德經》中說「道生一，一生二，二生三，三生萬物」。

有了演化觀，就可以完全不用糾結「雞生蛋、蛋生雞」的問題，一切都是從演化來的。

目前，我們從這個觀點來研究宇宙的演化，有一個重要的框架大家可能都知道。很多人都看過《生活大爆炸》這部電視劇，也譯作《大爆炸理論》，這裡面有一群奇怪的物理學家，他們發生了一些比較有趣的故事。前面提到的框架其實就是指宇宙大爆炸的理論。

《生活大爆炸》（又名《大爆炸理論》）

宇宙大爆炸大家都已經聽說過了，138億年前，宇宙中曾經發生過一次非常劇烈的爆炸，爆炸以後，整個宇宙的溫度非常高，隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低。

下面我講兩件事。

第一件，宇宙曾經發生過一次暴脹。暴脹的概念用英文來表達的話是Inflation，這個詞的另一個含義是通貨膨脹。

通貨膨脹會導致人們之間的貧富差距都消除了，大家都變得一樣貧窮。由通貨膨脹是由誰來發動的這個問題，我們聯想到宇宙暴脹是怎麼發生的。

另一件，宇宙原初非常熱，有一些非常高能量的光，它冷下來以後，有一個像海洋一樣的光的輻射，這就是大爆炸的餘暉。後面我會講跟這兩件事相關的事情。

宇宙膨脹示意圖

是什麼驅動了宇宙的暴脹呢？物理學家找到一個叫φ的傢伙，它是發動暴脹的根源，驅動了宇宙暴脹的過程。

驅動完之後，它好像感覺心裡很不爽，就像喝醉酒的醉鬼一樣從山頂往山底滾，滾的路線就是一個隨機運動，最後滾出來一個稀奇古怪的形狀。

φ的「醉鬼」路線

我們現在能看到在宇宙的那個充滿輻射的、完全光子的海洋中，就會留下這個痕跡。

宇宙微波背景輻射溫度各向異性天空圖

這個海洋是什麼樣的海洋？它的光的頻率是在微波波段，和我們的微波爐一樣，只是它整個強度太低了，不能把我們「烤熟」。

前面提到的φ這個醉鬼，它隨機行走留下來的痕跡，天文學家和物理學家通過最高精度的衛星，已經看到了。圖中發藍的地方以前溫度稍微高一點，紅的地方溫度稍微低一點，中間的差別其實非常小。

雖然通貨膨脹把大家的貧富差距都消除了，最後就留下來一點痕跡，這個痕跡的差別是十萬分之一，但是這十萬分之一非常重要。

如果沒有φ這個醉鬼走的這條路線，就形成不了我們剛才看到的宇宙當中的萬千景象，形成不了星系，形成不了整個星系團的結構，也形成不了人類。

我剛剛說的微波的東西大家回家就能看見。我們經常通過這些微波的線路傳輸一些電視的圖像，大家可以回家以後打開電視，手動方式調到一個沒有電視頻道的地方，會發現一片雪花點，在這片雪花點當中，有1%的雪花點是宇宙大爆炸留下來的餘暉。

天文學家用更精密的手段可以測量出，這個餘暉不同角度之間的差別，就是十萬分之一，這就是產生現代人類、產生整個宇宙的一個種子。

這個種子怎麼發展成我們現在的宇宙的？

宇宙演化模型：抱團取暖

整個宇宙演化的模型，被稱為和諧宇宙模型。

和諧宇宙模型

要想生成宇宙的這些結構，首先要有物質。這些物質是什麼呢？暗物質、暗能量，還有一個最重要也是最少的物質，是原子。

原子也是一種發光的物質，是組成我們人體、地球、太陽，還有我們看到的這些星系的物質，它只佔了4%左右，所以整個宇宙是個暗宇宙。

宇宙學的一個觀點是演化觀，即從大爆炸慢慢產生，由前面提到的φ場來驅動。

其實這裡面還有一個機制，叫做引力不穩定性。

這個概念可以這樣理解，如果有一群人一起掉到一個冰窟窿裡面，因為冰水很冷，大家最後肯定要抱團取暖，宇宙當中所有的物質也是按照這種方式形成的。

當所有物質的溫度變得很低的時候，它們就緊緊地聚集在一起，甚至之間可以發生核反應，就像太陽一樣，這就是引力不穩定性。

有了這個機制，我們還需要有相應的組織原則，我們不能用大的類似託拉斯的東西，然後再搞壟斷把它分裂掉。

我們先從小的做起，先形成小的結構，再形成大的結構，這些結構會發生併合，這種結構不斷增長，最後形成宇宙中非常大的星系、星系團。

結構形成的等級成團模型 （Anglo-Australian Observatory）

這張圖顯示的，就是我們現在所能看到的所有結構，從星團到矮星繫到星系，還有星系組成的星系團。

宇宙的多尺度層次結構

天文學家如何理解宇宙

天文學家想知道這些星系是怎麼形成的，如何去理解這些結構。這個問題想想就覺得很複雜。

一個星系有千億顆恆星，又有上千億個這樣的星系，組合在一起，要去理解這個結構非常難。我們現在也是採用由簡入深的方法進行理解。

在座的各位有沒有人認識這塊表？這是瑞士一個奢侈品牌的表，中文名叫宇舶，它是科學和藝術的結晶，非常漂亮。

宇舶手錶

這塊表的整體設計理念，大家知道是從哪兒來的嗎？

這是一個安提凱希拉裝置，這個裝置是在羅德島附近一艘2000多年前的沉船中找到的。

安提凱希拉裝置

通過X光掃描後，大家發現安提凱希拉裝置的結構非常複雜。這裡面有37個齒輪，最大的一個齒輪有235個齒，齒輪之間有很複雜的聯動和咬合結構。

這種結構人類在1000年以後才造出來。為什麼古希臘就造出來了？它採用這種小的齒輪結構是幹什麼的呢？

後來人們發現它是一臺行星的計算器，或者說是行星的計算機。它可以知道太陽在黃道十二宮中的位置，可以知道月相，可以準確預言日食、月食，還可以算出金星、木星、水星、火星、土星這五顆行星的位置。

我們知道齒輪都是圓的，它是基於一個什麼樣的原理來運轉的呢？

在羅德島邊上還有一個島叫薩摩斯島，古希臘哲學家、數學家畢達哥拉斯就出生在這個島上。我們都學過勾股定理，這個定理在西方就叫畢達哥拉斯定理。

畢達哥拉斯和天體和聲

畢達哥拉斯所崇尚的就是宇宙中所有的東西都尊重圓軌道，因為圓軌道是最和諧的。

據說，他因為聽到打鐵的聲音，就能夠知道宇宙當中存在和聲，他認為宇宙行星軌道都存在這種和聲。

另外，有兩位著名的學者也提出了自己的想法。

阿波羅尼斯和依巴谷

數學家阿波羅尼斯提出了一種解釋行星軌道的方式。首先行星在一個大輪上面運轉，如果是地球在大輪的中心，有的行星可能會逆行。怎麼辦呢？

有個輪叫做均輪，就在它上面加一個本輪，後來發現，這樣去解釋觀測不是很好。（註：上圖右側的大輪叫均輪，大輪上的小輪叫「本輪」。）

羅德島天文學家依巴谷（歲差就是他發現的），把地球的位置稍稍偏離一點中心，這樣行星運動軌道就不是一個完全均勻的運動。

最後，託勒密綜合他們所有人的成就提出了地心說。

託勒密提出地心說

大家對地心說的評價可能有一點問題，其實地心說是人類歷史上第一個可計算的宇宙模型，它也是理論和觀測相結合的一個典範，是古代科學留給我們最重要的一個遺產。

在這個遺產的基礎上，牛頓最後建立了統一天界和地界運動規律的龐大的經典力學體系，愛因斯坦也提出了關於時間和空間的理論，還有哥白尼的日心說，都是在這個基礎上慢慢發展出來的。

如果單純從數學上考慮，地心說錯的沒這麼多，任何一個複雜的運動都是可以用這種圓周運動的方式把它組合起來，學數學的人可能都知道，這就是傅立葉變換。

任何一個複雜的周期性運動，總是可以用一個個小的圓周運動把它組合出來。這就奠定了我們對宇宙最複雜的問題進行研究的基礎。

盤古模擬

我是從20世紀90年代開始從事相關研究的，原來學的是偏理論物理方面的專業，後來當了碼農，天天寫Code。

當時我們用愛因斯坦的廣義相對論、牛頓經典力學等作為理論框架。那時我用的是一臺286機器，內存只有16兆，我的第一個數值模擬程序就是在那臺機器上做出來的。

我們把宇宙所有的星系、所有的天體都放在一個網格上，然後把這些網格上的數據全部輸入到計算機的內存中去。如果想要算的精度非常高，網格的數目就要求特別多，所有的內存限制你的計算。

我們再把它放在超級計算的平臺上。廣州天河二號超級計算機的運算能力曾經是世界第一。

很多年前，有四家單位啟動了一個叫盤古模擬的計劃，這四家單位分別是中科院紫金山天文臺，國家天文臺，上海天文臺，還有中科院計算機網絡信息中心。

我們一起提出了一個用高精度的數值模擬去解析暗宇宙中的結構形成的想法。

大家可以看一下我們當時盤古模擬的場景，這就是用網絡中心的一臺超級計算機所模擬出的宇宙中的一個場景。

有一個通過不斷吞噬別人長大的天體，這個天體的大小是銀河系的一萬倍。

我們當時做這個模擬時，用了300億個粒子，同時跟蹤將近2000億個方程。

隨著計算機技術的發展，我們在天河二號上能跟蹤上萬億個方程，就是跟蹤這些粒子的演化。

這個圖景非常壯觀，當中很大的一個星系團，它包括了一萬個銀河系大小的星系。

吞噬過程是怎麼產生的？

大家可以看到，開始的時候非常均勻，然後宇宙的結構就開始形成了。有的星系開始發動星系戰爭，它不斷擴大自己的殖民地，去吞噬周邊的星系。

最後，來了一個跟它大小差不多的星系，它們兩個握手言好，最後合併在一起，形成一個比較大的天體。

嚴肅深刻的杞人憂天

這張圖中，大家可以看到銀河系，周邊還有一個星系，就是仙女座大星雲。

銀河系和仙女座大星雲

天文學家估算差不多40億年後，這兩個星系之間也會發生劇烈的碰撞。

但是大家不用擔心，那時太陽系已經沒了。即使太陽系還存在，這種星系之間的戰爭是帝王之間的戰爭，如果人類還存在，對大家的生活也沒有任何影響。

我們現在已經從機械齒輪時代進入到超級計算時代，天文學發展也得益於信息技術的發展。

現在的計算機已經不僅僅是科學發現的工具，也是科學發現的手段，很多重要的天文發現，都是通過這種方式取得的。

這張圖畫的是我國一個著名的成語叫杞人憂天，講杞國有一個人整天擔心天會掉下來。

杞人憂天

這個成語在當時是比較中性的詞，後來變成了貶義詞，指一個人沒事找事，整天想一些不著邊際的事情。

天怎麼會掉下來呢？但物理學證明，這是最嚴肅甚至最深刻的物理學問題。

亞里斯多德曾經考慮過這個問題，所以他提出天界和地界遵從不同的規律。牛頓也考慮過這個問題，最後他建立了一個龐大的經典力學的聖殿。到了後來，大家發現天不會掉下來。

愛因斯坦發現在他的理論當中，天會膨脹，他不喜歡膨脹，他覺得一個靜態的宇宙比較好，因此愛因斯坦就錯過了一次發現宇宙膨脹的機會。

宇宙如果膨脹會給我們帶來什麼後果呢？最後很可能是四分五裂。

腳踏實地，仰望星空

我另外一個身份是在中科院紫金山天文臺工作，幾年前來到中山大學。

中山大學建立了中國第一個天文系和天文臺，是國人自己辦的。1926年，留學法國的張雲博士回國後，上書當時的國民政府，力陳天文學在所有科學中的意義。

到1952年之後，因為院系調整，中山大學的天文系整體搬遷到現在的南京大學，南京大學現在是國內天文系最厲害的一個學校。

2013年，中山大學想傳承這個傳統，恢復了天文系，我認為這是非常好的舉措。廣東是改革開放的前沿，經濟實力非常雄厚，這幾年它對基礎科學的研究也有不斷的投入。

我們不但要做實用的科技，更需要仰望星空。

謝謝大家！

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