新宇宙觀: 宏觀宇宙的尺度

宏觀宇宙的尺度

目前我們人類所能觀測到的宇宙到底有多大？是個甚麼樣子？短時間要有個簡單而清楚的概念，頗不容易...

如需先建立整體概念，請參考這部精彩影片【Cosmic Voyage】（可視需開啟自動產生的英文字幕；本片還包含微觀的世界）：

另請參考早期相關影片【Powers of Ten】（這是1977年英文版本的中文發音版，當年的可觀測宇宙尺存只到10²⁴公尺的範圍）：

https://youtu.be/KCrLW209ySY

以下這是部精彩的長片【Journey to the Edge of the Universe (HD)】（片長1小時30分，有英文字幕）：

https://youtu.be/6s6POy6RgVM

以下從10⁰~10²⁶公尺的範圍，逐次說明並附加圖片對照：

文字部分參照《一本就通：宇宙史》閱讀心得與摘要（上篇）內容
圖片參照TheScale of the Cosmos等內容

從1公尺到10公尺（10⁰~10¹公尺）（範圍A）

※ 多數人的身高在1.5公尺至1.9公尺之間。

※ 我們日常生活接觸的物體，尺寸大半介於1公尺到10公尺之間。

※ 現存最大的陸地動物，幾乎全都介於這個尺寸區間。。

從10公尺到100公尺（10¹~10²公尺）（範圍B）

※ 現存最長的陸地動物是蟒蛇。最長的一件樣本測得長度10.91公尺。藍鯨可以長到30公尺長。最長的陸地動物是俗名靴帶蟲（bootlace worm）的巨縱溝紐蟲（Lineus longissimus）。蘇格蘭聖安德魯斯（St. Andrews）海岸找到的一件樣本長約55公尺。

※ 不久之前，雷克斯暴龍（Tyrannosaurus rex）還號稱最大型的肉食型恐龍。迄今已發掘的雷克斯暴龍標本當中，最大的一件叫做蘇（比較正式的名稱是FMNH PR2081）。蘇的身長12.8公尺。然而，據稱棘龍（屬名：Spinosaurus）的體型舉世無匹，體長可以長到16公尺和18公尺之間。

※ 有一種恐龍名叫布氏腕龍（Brachiosaurus brancai），或稱為長頸巨龍（屬名：Giraffatitan），骨骼身高12公尺，總長22.5公尺。整個恐龍類群當中最長、最大的一種，相信就是易碎雙腔龍（Amphicoelias fragillimus）了，長58公尺，不過這個尺寸只是根據不完整骨骼推測的。

從100公尺到1,000公尺（10²~10³公尺）（範圍C）

※ 有一棵喬木號稱歷來發現的最高樹木，那是棵紅杉，高112.51公尺，發現於2006年。攀緣植物省藤（屬名：Daemonorops）的某些植株長可達兩百餘公尺。

※ 埃及吉薩大金字塔在西元前2570年左右落成，高146公尺，成為當時世界最高建物，這個頭銜直到1311年，高160公尺的林肯主教座堂完工方才撤銷。1889年艾菲爾鐵塔完工，鐵塔計至頂層高300.65公尺，把旗杆納入則達312.27公尺。

※ 帝國大廈在1931年完工，遙遙領先位居榜首，樓高381公尺。

※ 當今世界最高的建物是杜拜的杜拜塔，在2009年完工時樓高828公尺。

從1公里到10公里（10³~10⁴公尺）（範圍D）

※ 當你環顧平原或眺望大海，再假定你並不是高得離譜，那麼地平線的絕對最遠距離，就可以達到5公里左右。若眼前有一片遠山景色，那麼我們能夠看見的距離，顯然還會遠上許多。最高的山峰是珠穆朗瑪峰達8.848公里。

※ 最深的礦坑位於南非一處金礦，那處礦區稱為陶托那（TauTona）深3.6公里。

※ 海洋底下的地殼厚度介於5-7公里之間。

從10公里到100公里（10⁴~10⁵公尺）（範圍E）

※ 太平洋最深地點位於海平面下11.034公里，這樣一來，最深海洋的深度便超過最高山峰的高度。

※ 1970年5月24日，挖地計畫在俄羅斯鄰近挪威國境的科拉半島（Kola Peninsula）展開。鑿出的幾個鑽孔當中，最深的一個在1989年鑿成。開鑿作業在1992年中止，因為那時情況已經明朗，地底下的溫度高達攝氏300度，鑽頭無可避免都要熔化。這幾個鑽孔當中，最深的一個達到12.262公里，這也是人類鑿出的空前最深鑽孔。

※ 各大洲底下的地殼厚度平均為34公里，有些部分還可達80、90公里厚。

※ 最高的雲（稱為夜光雲）呈銀藍色，通常到夏季月份才在兩極上空形成，距離地面約80公里。

※ 在美國，曾經飛航離地超過80.5公里的人都稱為太空人。

※ 地球的大氣並沒有邊界。大氣只會達到無限稀薄的程度。不過，大氣的四分之三質量都涵納在離地11公里以內範圍。實務上我們以卡門線（Karman line）來界定大氣的邊緣，這個名稱得自匈牙利裔美籍工程師西奧多‧馮‧卡門（Theodore von Karman, 1881-1963），因為他發現，約達100公里高度就很難產生空氣動力學升力。

從100到1,000公里（10⁵~10⁶公尺）（範圍F）

※ 國際太空站（International Space Station，縮寫為ISS），是屬於美國國家航空暨太空總署（NASA）的一個在近地軌道上運行的科研設施，軌道高度約為360公里。

※ 在500公里高空繞地運行的軍事衛星，能夠分辨出20公分長的地面物體。

※ 哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，簡稱為HST，為直徑2.4公尺的反射式望遠鏡）在1990年發射升空，軌道高度為600公里。運作初期出了個問題，由於主鏡研磨作業出錯，連帶影響望遠鏡的功能。1993年執行了一項出色的修復作業，回復那台望遠鏡的預期功能。根據這台望遠鏡蒐集的資訊，我們這座星系（銀河系）所含恆星數量估計值，在一夜之間增長了一倍。

※ 另外史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope，縮寫為SST，長度約4公尺，主鏡口徑為85公分），是美國國家航空暨太空總署2003年發射的一顆紅外天文衛星，是大型軌道天文台計劃的最後一台太空望遠鏡，軌道高度為568公里。

※ 目前在距離地表160-2,000公里的軌道繞地運行的人造衛星總計為417顆，換言之，這些衛星都是一腳站在本數量級，同時跨足下一個數量級。在這些軌道運行的衛星統稱「低地軌道衛星」（LEOs , Low Earth Orbit satellites，亦稱近地軌道衛星）。目前仍在太空中持續組裝的國際太空站就是個低地軌道衛星。該衛星的運行高度距地介於319.6-346.9公里之間，每天繞行15.77周。這顆衛星從地表肉眼可見。

從1,000到10,000公里（10⁶~10⁷公尺）（範圍G）

※ 目前有47顆人造衛星在距離地表2,000~35,800公里高處繞地運行，這些衛星統稱「中地球軌道衛星」（MEOs, Medium Earth Orbit satellites）。

※ 中國的萬裡長城約綿延4,000公里。地球從表面到地心距離6,370公里。地球最長的河川是尼羅河，流經6,695公里的距離。

從1萬到10萬公里（10⁷~10⁸公尺）（範圍H）

※ 住在地球上有個必然的結果，那就是我們離家永遠不會超過1萬9,000公里（也就是地球周長的一半）。

※ 所謂的「藍色彈珠」（The Blue Marble）地球照片是在4萬5,000公里高處拍攝的。（那張照片是由阿波羅17號在1972年所攝）

※ 目前在距離的表3萬5,786公里或更高軌道運行的人造衛星總計有351顆。這類衛星統稱「高地球軌道衛星」（HEOs, High Earth Orbit satellites）。

從10萬到100萬公里（10⁸~10⁹公尺）（範圍I）

※ 維拉1號A星（Vela 1A）就是顆高地球軌道衛星，它的軌道高度超過10萬公里。

※ 月球是地球的天然衛星，平均位於38萬4,399公里之外。

從100萬到1,000萬公里（10⁹~10¹⁰公尺）（範圍J）

※ 太空在這個區域很難找到有相當尺寸的任何固體，唯一的例外就是零星的隕石，或是從旁掠過的罕見小行星。不過，太空絕對不是空的，輻射和原子遍布各處。

從1,000萬到1億公里（10¹⁰~10¹¹公尺）（範圍K）

※ 過了月球接著就要遇上金星，那就是我們這趟遠距離的遠行，下一個與地球有相當尺寸的最近天體。金星是夜空中的第二亮的天體，和地球的最近距離為4,000萬公里。

從1億到10億公里（10¹¹~10¹²公尺）（範圍L）

※ 太陽和地球的距離平均為1.5億公里，這段距離稱為「天文單位」（AU, Astronomical Unit）。

※ 平均而言，金星和地球的距離略超過一億公里。火星和水星也同樣在這個地帶和這一區之間掃掠，實際需要看他們相對於地球是位於太陽的哪一側而定。

※ 就大體而言，太陽並不是非常緻密（平均密度為水的一半），這就表示把它的大質量納入考量，太陽的體積依然是非常大（直徑約140萬公里）。

※ 依質量和運動來判斷，我們看出水星在最靠近太陽的軌道運行，接這是金星，第三顆岩塊就是地球，再來就是外側的火星。這些星體統稱「類地行星」。

※ 小行星帶是一片遍布岩質天體的區帶，裡面都是當初類地行星形成時期殘留的剩餘物。小行星帶把兩類行星隔開，一邊是具有可見表面的行星，另一側則是氣體行星，他涵括的範圍延伸很廣，從距離太陽約2.7億到相隔6.75億公里（或相當於從1.8到4.5個天文單位）。小行星大小不等，從一粒塵埃那般大小到直徑950公里的小行星穀神星那般尺寸。除此之外還有三顆約寬400公里的岩塊。這四個天體加總起來，占了小行星帶內的大半質量。

※ 我們最先抵達的氣體行星也是最大的一顆。木星的質量比其他所有行星質量總和的兩倍更大。木星和太陽的距離，平均略超過7.78億公里（或約等於五個天文單位）。木星在我們看來是夜空中第三亮的星體，僅次於月球和金星。

從10億到100億公里（10¹²~10¹³公尺）（範圍M）

※ 土星是從太陽向外第六遠的行星，也是僅次於木星的第二大行星。土星距離太陽平均約略超過14億公里。若從地球測起，木星的平均距離略短於13億公里。

※ 天王星的距離排名第七。依尺寸它第三大行星，依質量則排行第四。

※ 海王星是從太陽向外第八顆行星，依尺寸排名第四大，依質量則排行第三。海王星平均約距日45億公里。

※ 天王星和海王星的特點在於含冰的比例超過其他氣體行星，也因此他們就稱為冰巨星（ice giant）。

※ 太陽系內凡是位於海王星軌道以外的物體，全都稱為「海王星外天體」，簡稱「海外天體」。

※ 冥王星一度經認定為太陽系內最小的行星，如今則規劃矮行星類別。從2008年6月11日起，冥王星、鬩神星和其他海外天體便統稱為類冥矮行星（又稱「類冥天體」）。海王星外側至少還另有41顆天體，其中許多最後都可能歸入那個等級。

※ 許多海外天體都分布在一處號稱「古柏帶」（Kuiper belt）的區域，範圍從海王星軌道起向外延伸至約75億公里（或50個天文單位）遠處。古柏帶是眾多太陽系小天體的棲身處所，其中大小超過100公里的計約35,000顆。

從100億到1,000億公里（10¹³~10¹⁴公尺）（範圍N）

※ 過了古柏帶，我們進入沒有大型物質實體的另一片區域。在冥王星三倍距離遠處有一顆細小的賽德娜小行星（Sedna），大小約相當於冥王星的三分之二。賽德娜位於135億公里遠處，也是目前觀測到的太陽系最遠天體。

※ 太陽風吹走星際氣體（宇宙生命早期殘留下來的氫和氦），製造出一個半徑比賽德娜的軌道距離更長的巨大空泡。這個空泡有時候就用來定義太陽系的邊緣。外緣的風勢不夠強勁，吹不走星際氣體，那片區域波濤激盪，成為太陽層頂（heliopause）。人類射上宇宙的物體當中，航行最遠、速度最高的一件，目前正逐漸接近這片區域。重722公斤的太空探測器「航海家一號」（Voyager 1），從2004年開始脫離太陽系。他的位置在144億公里遠處，比賽德娜稍遠一些。

從1,000億到1兆公里（10¹⁴~10¹⁵公尺）（範圍O）

※ 我們再往前通過另一片星域，那裡看來並沒有大型天體；或者說，就算並非虛空一片，無論那裡可能有哪些大型物體，目前都依然看不到。

※ 跡象顯示，賽德娜的高偏心率軌道，或能證明太陽擁有一顆黯淡的伴星，可是到目前我們還不曾見到這顆太陽的伴星。（這顆伴星在Billy Meier的第544-3次接觸報告中有詳細說明）

從1兆到10兆公里（10¹⁵~10¹⁶公尺）（範圍P）

※ 到了太陽系最偏遠地帶，相當於地球到太陽的5萬倍距離之外，或者從最遙遠行星群再向外走一千倍的距離，到了太陽重力威力的作用極限地帶，就是一片奧爾特雲（又稱：歐特雲）。沒有證據顯示奧爾特雲是否存在，不過荷蘭天文學家簡．奧爾特（Jan Oort）在1950年便已察覺，似乎沒有彗星是發源自恆星空間，也就是說，沒有彗星的軌道超出太陽的重力範圍。

※ 一般認為，奧爾特雲就是所有長週期軌道彗星的老家，這其中若干軌道有可能要花好幾百萬年才能造型一周。奧爾特雲中的彗星數量可能多達10億，甚至可達一兆顆。

※ 就像古柏帶天體，組成奧爾特雲的天體，也是從太陽系形成開始到現在都保持不變。

※ 太陽系中的最遙遠物體，就位於將近一光年遠處（10¹⁶公尺很接近光在一年時間內進行的距離；也就是1光年約等於10兆公里）。

從1光年到10光年或10兆到100兆公里（10¹⁶~10¹⁷公尺）（範圍Q）

※ 接下來我們會遇上的大型星體，就是最靠近我們的相鄰恆星，半人馬座比鄰星（Proxima Centauri，或稱為半人馬座α星C），位於略超過4光年之外。比鄰星和數質量不及太陽一半的黯淡恆星，同樣都歸入一個叫作「紅矮星」（red dwarf）的恆星類群。

※ 再稍遠一些，到了4.37光年處有半人馬座的α星A和α星B，兩顆合起來從地球肉眼可見。

※ 再下來的最近恆星有巴納德星（Barnard’s star）位於5.96光年之外、沃夫359（Wolf 359）位於7.78光年之外、拉藍德21185（Lalande 21185）位於8.29光年之外、天狼星（Sirius）A星和B星，位於8.58光年之外、盧坦726-8（Luyten 726-8）A星和B星，位於8.78光年之外，還有羅斯154（Ross 154），位於9.64光年之外。

從10光年到100光年（10¹⁷~10¹⁸公尺）（範圍R）

※ 下一批最接近的恆星系統，以光年測量分別得出下列讀數：10.32，10.52，10.74，10.92，11.27，11.40等。

※ 從太陽朝四面八方延伸16.31光年便構成一片圓球空間，延伸32.6光年的球狀空間，含有2,029個系統。

※ 位於36.7光年之外的牧夫座大角星（Arcturus）是顆紅巨星。儘管他的質量不到太陽的一倍半，輸出功率卻達太陽的180倍，因此在我們看來，它也成為夜空裡的三亮的恆星。

※ 飛馬座51（51 Pegasi）是顆位於50.1光年左右之外的恆星。這顆星值得在人類歷史上記上一筆，它是除了我們的太陽系之外，第一個被人類當成太陽系看待的星體。飛馬座51是顆類日恆星，至少有一顆行星繞著他運行。自從那顆行星在1995年發現以來，至今已經又發現了約300顆所謂的「太陽系外行星」，簡稱「系外行星」。一般認為，每14顆恆星約有一顆是行星系統的核心。仙女座υ（Upsilon Andromedate）是個三恆星系統，位於44光年之外，並有多顆行星環繞主星運行。

※ 畢宿五（Aldebaran）又稱「金牛座α」（Alpha Tauri）這也是一顆紅巨星，位於65光年之外。十字架一（Gacrux）又稱「南十字座γ」（Gamma Crucis），是顆紅巨星，位於88光年之外。

從100光年到1,000光年（10¹⁸~10¹⁹公尺）（範圍S）

※ 參宿四（Betelgeuse）是顆紅超巨星（red supergiant），又稱為「獵戶座α」。參宿四的質量約為太陽的20倍，體積卻達16億倍之多。參宿四約位於640光年之外，直徑4倍於地球到太陽的距離（4個天文單位），因此它是天空最大的恆星之一。參宿四是夜空第九亮星。

從1,000光年到1萬光年（10¹⁹~10²⁰公尺）（範圍T）

※ 獵戶座星雲（Orion Nebula，又稱M42）是一片稀薄的塵埃雲霧，位於1,500光年之外，那裡還有好幾千顆恆星逐漸成形，原料則得自世世代代恆星爆成超新星後留下的殘骸。這片星雲橫跨30光年，是銀河系中的我們最近的恆星生成區。

※ M42代表梅西爾天體42號。查理士．梅西爾（Charles Messier）是18世紀法國天文學家，以編制夜空星表著稱。他的天體清單從M1列到M103，還有後來添加的7項，到今天依然沿用。

※ 大犬座VY（VY Canis Majoris）是顆大型的超巨星，稱為「特超巨星」（hypergiant），位於5,000光年之外。它的直徑是參宿四的兩倍，列名已知恆星的最大體積（但非最大質量）榜首。（註：這是2009年的資料，該項紀錄已被改寫，最新資料請參閱巨大恆星列表。）

※ M1就是蟹狀星雲（Crab Nebula），位於6,500光年之外。1968年在該星雲中央發現了中子星（neutron star），這就是原始恆星塌縮形成的非常緻密天體，直徑只剩區區30公里。這種物質取一團方糖大小時就有一億公噸重。這顆中子星每秒繞自軸轉30次，一邊發出從無線電波到珈瑪射線的全頻譜射線。自轉的中子星稱為脈衝心（pulsar）。蟹狀星雲中心區的中子星，就是最早觀測到的脈衝星。脈衝星的磁場強度在宇宙間居冠，約等於地球磁場的千億倍。

※ 回力棒星雲（Boomerang Nebula）是迄今發現的最奇特星雲。它位於5,000光年之外，溫度為攝氏-272度，號稱宇宙間最冷的地方，只比最低可能溫度高出一度。理論極低溫度稱為「絕對零度」（-273℃），實際上這是不可能達到的。分子在絕對零度時就不能再運動，但根據量子物理學，分子是不可能完全靜止不動的。

從1萬光年到10萬光年（10²⁰~10²¹公尺）（範圍U）

※ 克卜勒（Kepler）超新星位於20,000光年之外，是在我們這星系內最新近觀測到的超新星。

※ 大犬座矮星系（Canis Major dwarf galaxy）計含10億顆恆星。它和銀河系重力中心約相距42,000光年，和太陽系則相隔25,000光年，它是最接近我們的相鄰星系。

※ 星系的典型直徑為一萬光年，銀河系則相當於那個平均值的8到10倍。矮星系受較大星系的重力牽絆，好比大犬座矮星系受銀河系牽絆，直徑可能只有幾十光年。

※ 據信太陽系距離銀河系中心26,000光年。這個距離的估計值在近幾年來曾經出現大幅變化，已經從原先的35,000光年向下修訂。我們不單是不位於太陽系的中心，實際上也不位於星系的中心。事實上，我們還比較接近拱衛銀河的大犬座矮星系，和銀河系的中心反而相隔稍遠。

從10萬光年到100萬光年（10²¹~10²²公尺）（範圍V）

※ 大麥哲倫星系（LMC, Large Magellanic Cloud）位於17萬9,000光年之外，約由110億顆恆星組成。小麥哲倫星系（SMC, Small Magellanic Cloud）內含不到10億顆恆星，位於21萬光年之外。

從100萬光年到1,000萬光年（10²²~10²³公尺）（範圍W）

※ 巴納德星系位於160萬光年之外，橫跨200光年，同樣是個受了我們這座星系重力束縛的矮星系。

※ 250萬光年之外，我們到了仙女座星系（M31），這是最接近我們的大型相鄰星系。它的尺寸甚至還兩倍於我們這個大的反常的星系。按目前所知，仙女座星系和銀河系都有14個衛星星系。仙女座星系和銀河系同樣都是螺旋星系。仙女座星系恰是我們肉眼能夠見到的最遠天體，它看來就像一顆暗淡的恆星。

從1,000萬光年到1億光年（10²³~10²⁴公尺）（範圍X）

※ 銀河系屬於一個小型星系團，裡面的星系受重力牽引束縛，群集形成本星系群（Local Group）。本星系群橫跨1,000萬光年，約有40個星系組成，其中有些非常小，好比大犬座矮星系、巴納德星系和人馬座橢圓矮星系等衛星星系。這個星系群中尺寸最大，遠勝其他星系的有我們這座星系和仙女座星系，再下來第三大星系的尺寸就有相當落差稱為「三角座」（Triangulum）星系。

※ 最接近我們這座星系團的鄰團是室女座星系團（Virgo cluster），它和本星系群的中心相距6,000萬光年左右。室女座星系團相當大（內含星系數量有很多達2,500個），重力影響及於本星系群。

從1億光年到10億光年（10²⁴~10²⁵公尺）（範圍Y）

※ 好幾座星系團（例如本星系群和室女座星系系團）齊聚合攏就形成超星系團（supercluter）：眾星系團組成的集團。本星系群屬於室女座超星系團（可別跟室女座星系團搞混了），包含2500個明亮的星系；也就是我們看得見的星系，實際還可能更多。室女座超星系團約含有100個星系團，點點散布在跨越2億光年的範圍裡面。

※ 最接近我們的相鄰超星系團是長蛇一半人馬座超星系團（Hydra-Centaurus supercluster），位於1至2億光年之外。另一個鄰近的超星系團是后髮座超新星團（Coma supercluster），位於三億光年之外。據信宇宙間計有1,000萬個超星系團，各團之間的空隙則罕見任何星系。