银河快报

银河系太阳系,谁大谁小?这个问题曾让我半夜睡不着觉

有天晚上躺在阳台上看星星,突然脑子里蹦出一个问题——我们整天说的太阳系,到底有多大?银河系又有多大?它俩放在一起比,谁大谁小?说出来你可能不信,这个问题我琢磨了一整夜,查了不少资料,今天的这篇文章,就是那次失眠的产物。

先给你一个直接的答案:银河系比太阳系大太多了,完全不在一个量级上。如果把太阳系比作一粒芝麻,那银河系大概相当于一个标准足球场,这个比喻不是夸张,是实实在在的比例关系,我知道你可能会觉得抽象,别急,咱们一层一层剥开来看。

先把太阳系的大小搞清楚

太阳系的范围,说实话,取决于你怎么定义它的"边界",这事儿还真没一个统一的说法,不同的标准,给出的数字差得还挺多。

最传统的定义,是把八大行星的轨道范围当作太阳系的主体,按这个标准,最外层的大行星是海王星,它到太阳的平均距离大约是45亿公里,天文学家觉得日常说数字太费劲,发明了一个单位叫天文单位(AU),1个AU就是地球到太阳的距离,大约1.5亿公里,海王星轨道距离太阳大约30个AU。这个距离有多夸张呢?光从太阳跑到海王星,差不多要4个小时。

但如果只算到海王星,那太阳系就太小了,在海王星外面,还有柯伊伯带,冥王星就住在那儿,这片区域一直延伸到距离太阳大约50个AU的地方,再往外,还有一个更巨大的结构叫奥尔特云,这是一个包裹着整个太阳系的球状彗星云团,奥尔特云的外边缘,被认为距离太阳大约5万到10万个AU,也就是说,有差不多5光年那么远。

所以你看,太阳系的范围可以是下面这几种情况:

  • 行星区域:半径大约30个天文单位,到海王星轨道为止。
  • 柯伊伯带区域:半径大约50个天文单位,冥王星所在的区域。
  • 日球层顶:半径大约120个天文单位,这里是太阳风能吹到的最远边界,旅行者1号探测器在2012年飞出了这个范围,才算真正进入了星际空间。
  • 奥尔特云:半径可能达到10万个天文单位,这里是太阳引力能束缚住天体的最远范围,你把它视作太阳系真正的边界,也没毛病。

我自己更倾向于用奥尔特云来定义太阳系的大小,因为引力边界在物理上更说得通,那么太阳系的直径,大概就是2到3光年的样子。

再看看银河系有多大

好,记住了刚才太阳系那个"2到3光年"的尺寸感,我们再来看银河系,银河系是一个棒旋星系,你可以把它想象成一个巨大的、旋转的风车,中间有个棒状的核心,几条旋臂从中心延伸出来。

银河系太阳系,谁大谁小?这个问题曾让我半夜睡不着觉

我们太阳自己,就位于其中一条叫猎户臂的次级旋臂上,距离银河系中心大约2.6万光年,对,你没看错,太阳本身绕着银河系中心转一圈,大概需要2.25亿年,这时间跨度人类连想都不敢想,上次太阳在现在这个位置的时候,恐龙都还没出现呢。

银河系的主体是一个恒星盘,这个盘的直径有多大呢?根据最近些年天文观测的数据,尤其是盖亚卫星带来的精确测量,银河系的银盘直径大约在10万到20万光年之间,最近的一些研究甚至认为可能接近20万光年,这里我们先取一个保守又公认的数字:10万光年

除了这个明亮的银盘,银河系外围还有一个巨大的暗物质晕,这个晕的直径可能超过100万光年,不过暗物质晕这个东西,不像恒星盘那么直观,我们暂且就用银盘的10万光年来说事,即便如此,银河系的尺度也已经是太阳系的数万倍了。

把两个数字摆在一起,差距就扎眼了

话说到这儿,数据都摆出来了,咱们不妨把它们放进一张表里直观地感受一下,老实说,我第一次把这两个数字并排写出来的时候,真的愣了几秒。

天体直径(光年)
太阳系(以奥尔特云为界)约 2~3
银河系(银盘直径)约 100,000

太阳系那2到3光年的直径,放在银河系10万光年的跨度面前,大概就是三万分之一到五万分之一的比例,回到开头那个比喻,一粒直径2毫米的芝麻,和一个长度100米的足球场,差不多就是这个比例关系,这个差距大到什么程度呢?如果银河系是北京市那么大,太阳系就只是小区门口的一个快递柜。

也就是说,太阳系在银河系里,就像汪洋大海里的一颗小水珠,银河系里像太阳这样的恒星,还有1000亿到4000亿颗,绝大多数恒星都有自己的行星系统,想到这个数量,真的会让人沉默。

银河系太阳系,谁大谁小?这个问题曾让我半夜睡不着觉

等等,那太阳系和银河系到底谁在谁里面?

这个问题问得特别好,也是整件事情最迷人的地方,答案是:太阳系在银河系里面,银河系是更高一级的天体系统,太阳系是银河系里一个微不足道的组成部分,整个太阳系,包括我们地球、太阳、所有的行星、小行星、彗星,都在绕着银河系中心公转。

这就好比,你问"北京市和朝阳区谁大谁小",答案当然是北京市大,而且朝阳区就在北京市里面,但这个比喻也不太对,因为朝阳区的面积和北京市比起来,大概是几十分之一,而太阳系跟银河系比起来,是三万分之一到五万分之一,朝阳区在北京面前远没有这么小。

往深了想一层,这种层级嵌套的结构,其实就是宇宙的基本组织形式,地球是太阳系的一部分,太阳系是银河系的一部分,银河系又是本星系群的一部分,本星系群又属于更大的室女座超星系团,这套层级就跟俄罗斯套娃一样,一层套一层,目前人类已知的最大结构,是巨大到难以想象的"宇宙网"。

这张图或许能帮你体会这种感觉

文字描述终归是抽象了点,我用星图的思维画了两张示意图,或许能帮你更直观地感受这种尺度差异,第一张图,是我们太阳系附近的邻居,每一个光点,都是一颗恒星,太阳就在这片区域里,周围的恒星密度其实已经很低了。

把视角拉到银河系尺度,第二张图展示的是银河系的全貌,太阳所在的那个亮点,在这张图里只是一个像素都不到的微小扰动,你看到的每一条旋臂,每一个亮团,都包含着几百亿颗恒星。

图一:太阳系在银河系中的位置示意图

银河系太阳系,谁大谁小?这个问题曾让我半夜睡不着觉

想象一个巨大的旋转盘子,直径十万光年,在距离中心大约三分之二半径的位置,猎户臂上有一个不起眼的小点,那就是我们的太阳系。

图二:银河系结构俯视图

它是一个典型的棒旋星系,中心有明亮的核球和棒状结构,几条壮观的旋臂向外延伸,整个结构在缓慢旋转。

人类感知的局限和宇宙尺度的震撼

说实话,聊到这儿,我觉得真正让人失眠的,已经不是"谁大谁小"这个具体问题了,而是人类感知和理解这种尺度的无能为力,我们大脑演化出来,是为了理解一棵树有多远、一个山洞有多深,不是去理解几万光年这种概念的。

哈勃太空望远镜和盖亚卫星传回来的数据,无数次刷新了人类对星系尺度的认知,这些精密仪器测出来的数字,让我们知道,就我们所在的这条银河,其实在宇宙中也只是一个中等偏大的星系罢了,距离我们最近的大型星系仙女座星系,直径比银河系还要大,大概有22万光年,而它正在以每秒数百公里的速度朝我们冲过来,大约40亿年后就会和银河系相撞。

到那个时候,太阳系还在不在都不好说,因为太阳在大概50亿年后就会膨胀成一颗红巨星,地球很可能在那时候就被吞噬了,你看,聊着聊着就聊远了,这就是宇宙尺度带来的思维惯性。

回到那个凉风习习的阳台,我后来又想,知道银河系比太阳系大几万倍这件事,并不能让我的生活发生什么实质性的改变,明天还是得早起上班,油条还是两块一根,但知道了以后,偶尔再抬头看天的时候,心里会多出一种很奇妙的踏实感——我们这点烦恼,放在银河系的尺度里,连一粒尘埃都算不上。

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