比鄰星離太陽就有4光年,10萬光年的銀河系怎會有1000億顆恆星?

2020-12-11 火星科普

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在觀測條件極佳的夜晚,我們可以看到滿天繁星,還有在天空中蔓延的銀河。在這些星星中,超過99%都是恆星,它們跟太陽是同一類天體,通過核聚變反應來產生能量,從而發光發熱。

在一個夜晚中,我們最多可以看到大約2500顆恆星,而全天總計可以看到大約7500顆恆星。相對於宇宙尺度而言,這些肉眼可見的恆星都算是太陽的近鄰,它們的距離大都沒有超過1000光年。

我們在地球上所能看到的恆星只是銀河系中的一小撮,在直徑約為10萬光年的銀河系中,恆星總數至少有1000千億顆,最多可能有4000億顆。然而,太空中似乎是空蕩蕩的,離太陽最近的比鄰星都在4.2光年之外,那麼,10萬光年的銀河系中又是如何容下1000億顆恆星的呢?

雖然銀河系是圓盤狀結構,但是盤面仍然是有厚度的,銀河系中的恆星並非都在同一個平面上。據估計,銀盤的平均厚度約為2000光年。

如果假設銀河系是一個圓柱體,那麼,它的體積估計為1.57×10^10^13立方光年。比鄰星與太陽的距離為4.2光年,這個距離差不多是銀河系中恆星之間的平均距離。也就是說,大約每270立方光年的空間中會有一顆恆星,由此可以估算出銀河系中的恆星總數為580億顆。

不過,銀河系中的恆星分布並不是完全均勻的,實際數量要高於上述估算值。絕大部分恆星都集中在銀河系中心,離銀心越遠的地方,恆星分布越稀疏。太陽與銀心大約2.6萬光年,太陽系鄰近星際空間中的恆星密度與整個銀河系的平均恆星密度相當。

在以銀心為中心,體積為1立方光年的範圍內,聚集著多達30萬顆恆星,恆星之間相距僅6光天(1000天文單位)。不過,不用擔心那裡的恆星會不斷發生碰撞,因為這還不夠擁擠。

恆星的直徑一般為幾萬至幾百萬公裡,雖然平均距離只有6光天,但這個距離其實已經達到了1500億公裡,所以銀心附近的空間還是很空曠的。雖然空曠,但大量的恆星聚集在一起,仍然會把周圍的空間照亮。如果太陽系位於銀心附近,地球夜空將會被天上的繁星照亮,相當於天上有200個滿月。

離銀心越遠,恆星的密度越低。正因為如此,在北半球夏季,當地球的夜半球朝著銀心方向,我們可以看到明亮的銀河。而到了冬季,地球的夜半球朝著銀河系邊緣方向,銀河就會暗淡很多。

天文學家認為,太陽系在銀河系中的位置是得天獨厚的,這裡被稱為銀河系的宜居帶。銀心中的恆星密度很高,大質量恆星很多,超新星爆發比較頻繁,而超新星釋放出的伽馬射線暴對於地球生命是致命的。

另一方面,銀河系邊緣的恆星密度很低,大質量恆星很少,宇宙中的重元素大都是由大質量恆星形成的。如果太陽系是在缺乏重元素的地方形成,地球上也就不可能進化出生命。

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    目前,我們還沒有能力飛出銀河系,在遠處給我們的星系拍張全景照片,但通過對銀河系中恆星的研究,再結合對河外星系的觀測,天文學家大致能夠勾勒出銀河系的樣子。我們的銀河系呈現為中間凸起的圓盤狀,銀盤直徑至少10萬光年,銀盤平均厚度2千光年。在銀河系中心,是一個半徑為1萬光年的核球結構。