今晚带着女儿看星星,她突然问了个让我卡壳的问题
“爸爸,八大行星和银河系打架的话,谁能赢?”
我手里举着的西瓜差点掉地上,七岁的小孩脑子里整天装的什么?但仔细一想,这个问题其实特别妙——它问出了一个宇宙尺度上最容易被混淆的概念,我们经常把太阳系和银河系挂在嘴边,但真要较真起来,太多人其实分不清它们到底谁大谁小、谁是谁的“上级”。
这就像一个三岁小孩问:咱们小区8栋楼,能打过整个北京城吗?这个问题本身就带着一种可爱的错位感,但正是这种错位,让我觉得特别值得认真聊聊。
先把擂台摆清楚——八大行星到底在哪儿
想象一下,你此刻正站在一片漆黑的海滩上,你脚边放着一颗葡萄柚,这就是太阳,然后你往前走,大约二十多步远的地方,放一粒盐——这就是水星,再走十来步,放一粒胡椒,这是金星,再走几步,放第二粒胡椒,这就是我们地球,继续走,放一颗稍大点的沙粒,这是火星。
现在你得多走好几倍的距离了,木星?一颗樱桃番茄那么大,土星?一粒稍小的葡萄,天王星和海王星?两颗蓝莓。
这个比例模型听起来是不是已经挺夸张了?但这才哪儿到哪儿,著名的天文学家卡尔·萨根在《暗淡蓝点》里用的那个比喻我特别喜欢——如果把太阳系缩小到能捧在手里的程度,太阳是掌心那颗发光的弹珠,八大行星就是围绕它旋转的细小微尘,而海王星的轨道也只是手臂伸展出去的距离。
我们来把八大行星排个队,用一张表格看清楚它们到底谁是谁:
| 行星名称 | 和太阳的关系 | 体型定位 | 有趣的点 |
| 水星 | 约5790万公里 | 最小(不算矮行星的话) | 没有大气层,白天430度晚上零下180度 |
| 金星 | 第二近,约1.08亿公里 | 和地球差不多大 | 自转方向跟别人反着来,太阳从西边出来 |
| 地球 | 第三,约1.5亿公里 | 也不算大 | 目前已知唯一有外卖的地方 |
| 火星 | 第四,约2.28亿公里 | 比地球小一圈 | 有太阳系最高的山,奥林匹斯山有两万多米 |
| 木星 | 第五,约7.78亿公里 | 巨无霸,能塞进1300个地球 | 大红斑刮了几百年的风暴还没停 |
| 土星 | 第六,约14.3亿公里 | 第二大,主要是气体 | 环漂亮得不像真的,能浮在水面上 |
| 天王星 | 第七,约28.7亿公里 | 冰巨行星 | 躺着自转的,像被谁踹了一脚 |
| 海王星 | 第八,约45亿公里 | 和天王星差不多 | 太阳系风速最高的地方,超音速的风 |
你看,八大行星加在一起,全部的质量也不过是太阳的14%,木星虽然号称行星之王,但在它们的老大太阳面前,也只是个弟弟——太阳霸占了整个太阳系99.86%的质量,注意这个数字,后面会用到。
现在把镜头拉远——银河系是个什么量级的存在
还是回到刚才那个黑暗海滩的模型,在海王星那颗蓝莓之外,我们还需要往外走多远才能碰到下一颗恒星——也就是太阳最近的邻居比邻星呢?
答案是:按照同样的比例,你大概要走到地球的另一边,在另外一片大陆的海滩上,才能找到另一颗葡萄柚。
而银河系里,像太阳这样的恒星,大约有1000亿到4000亿颗。
推荐反复看的一张图:
(此处想象一张标注了太阳位置的银河系俯视图,太阳在距离银心大约2.6万光年的猎户臂上,毫不起眼,连个像素点都算不上。)
费曼曾经用一种特别接地气的方式解释过这个尺度问题,他说,如果整个银河系缩小到能把地球包进去的大小,那地球在这个模型里是什么?大概就是烤蛋糕时,要往面糊里打的一个极小极小的气泡,太阳?在这个模型里连个点都不是。
我们来看看这几个数据,感受一下“亿”这个字在宇宙尺度上有多不值钱:
- 太阳系的直径(以奥尔特云为边界):大约2光年
- 银河系的直径:大约10万到18万光年
- 银河系中心厚度:大约2万光年
- 太阳距离银心的距离:大约6万光年
- 整个银河系的总质量:大约是太阳质量的1万亿到1.5万亿倍
注意看最后一条,太阳已经大到能装下130万个地球了,而银河系里,有一万亿个太阳这样的家伙,现在再回头看八大行星——它们加在一起才占太阳系质量的千分之一出头,在银河系面前属于什么量级,你的大脑可能已经开始拒绝计算了。
所谓的“PK”,本质上是一场蚂蚁单挑撒哈拉沙漠
如果强行要比质量,数字是这样的:
- 八大行星总质量:大约2.67 × 10²⁷千克
- 银河系总质量:大约1.5 × 10⁴²千克
差距是15个数量级,这是什么概念?如果八大行星的质量是一块钱硬币,那银河系的质量大概是一万亿个地球那么重——这个比喻本身已经失去了意义,因为我们的脑子进化出来不是用来处理这种数字的。
如果比数量:
- 太阳系目前确认的行星:8颗
- 银河系目前估算的行星数量:至少1000亿颗
美国天文学家弗兰克·德雷克当年提出那个著名的德雷克方程时,最保守的估算也是银河系里至少存在上亿颗处于宜居带的岩石行星,开普勒太空望远镜这些年发现的大量系外行星,正在一点点把那个数字往上推,你在夜空里随便指一个方向,那个方向上就可能藏着几十颗行星,只是太暗了我们看不见。
如果比年龄:
- 太阳系年龄:大约46亿年
- 银河系年龄:大约136亿年(几乎和宇宙同龄)
银河系看着太阳系长大,看着太阳从一团分子云里点燃,看着地球冷却下来形成海洋,看着第一个生命爬上岸,看着恐龙登场又退场,在银河系的时间线里,我们整个太阳系的历史只是弹指一挥间。
如果比结构等级,这就更有意思了:
行星 < 行星系统(比如太阳系) < 恒星集团 < 星系臂 < 星系(比如银河系) < 星系群 < 星系团 < 超星系团
中间差了整整四个层级,这就像一个乡镇企业在跟一个跨国大洲级经济体比体量,连报表都不用拿出来,光看组织架构图就一目了然。
换个角度看——为什么我们容易把它们放在一起比
我说实话,这个问题虽然从物理上毫无悬念,但从认知角度特别能理解,我们小时候看科普书,八大行星的插图通常画在同一页上,下一页翻开就是银河系的漩涡照片,色调都差不多,都是深蓝和紫色,都是些圆圆的东西挂在天上,这种视觉上的相邻感,很容易让人模糊掉它们之间几个数量级的区别。
(此处想象一张拼图,上半部分是八大行星在黑色背景上排成一排,下半部分是银河系蜿蜒的银色光带,视觉上的大小对比一目了然但又不忍直视。)
语言文字的锅,中文里“系”和“河系”听起来像是同一个量级的东西。“太阳系”和“银河系”,就差一个字,但英文其实区分得很清楚:Solar System和Galaxy,完全是两个词根、两个概念,这种翻译上的巧合,不知道误导了多少人。
更重要的一个原因是,我们人类天然会把“肉眼可见的世界”当成参照系,八大行星里前五颗肉眼能看到,它们和恒星不一样,会在星座之间穿行,古人早就注意到它们了,而银河系那条横跨夜空的乳白色光带,肉眼也能看到,古人叫它“天河”,既然都能用肉眼看到,我们的直觉当然会把它们放在同一个比较池里,但直觉在这个尺度上是完全不可靠的。
那银河系外面呢?
如果你觉得银河系已经够大了,试着消化这个事实:银河系所在的“本星系群”里有大约50个星系,而银河系和仙女座星系是这个群里的两个大块头,但本星系群又只是“室女座超星系团”里的一个小角落,室女座超星系团里有至少100个类似本星系群的星系群,再往上,还有“拉尼亚凯亚超星系团”,包含了大约10万个星系。
天文学界有个说法叫“宇宙学原理”,大意是:在大尺度上,宇宙任何地方看起来都差不多,换句话说,你站在银河系边缘往外看,看到的景象和你站在宇宙任何一个角落往外看,没有本质区别——到处都是星系,到处都是虚空,我们没有任何特殊。
国际天文学联合会(IAU)在2006年把冥王星降级的时候,全球吵成一锅粥,很多人到今天都不能接受,但天文学家们真正每天在琢磨的问题,早就不是太阳系里还剩几颗行星了,他们在算银河系暗物质的分布模型,在通过引力透镜找系外行星,在研究星系中心的超大质量黑洞怎么跟旁边的恒星跳引力探戈。
八大行星,是我们人类目前最熟悉的宇宙角落,是离家最近的那几条街道,银河系,是我们所在这座巨大城市本身,理解了这个区别,再回头看女儿的那个问题——八大行星PK银河系——答案其实根本就不重要了,重要的是,她开始好奇了。
今晚我打算带她再去阳台,不看行星,也不看月亮,就看银河,告诉她,每一颗你看到的星星,都可能有自己的行星,有自己的故事,而所有这些加起来,才是一个银河系,我们连一粒尘埃都算不上,但奇妙的是,我们这粒尘埃可以理解这一切。
西瓜吃完了,银河还在那儿挂着,安静地旋转了几十亿年。