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宇宙有多空旷?想象一个从北京开到广州,没有服务区的高速公路……

Discussion in '知乎日报' started by 漂亮的石头, 2016-01-31.

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 Staff Member

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    宇宙有多空旷?

    [​IMG] One Two,效果拔群!

    我来随便说两句……

    宇宙太空旷啦!(答主说了一句废话……)

    渺小的人类啊!(答主又说了一句废话……)

    就酱。

    当然啦还是能通过一些办法直观感受一下的。

    我觉得「空旷」可以大致可以分为两个层次:

    一种是恒星级别的空旷,恒星间一般相距数光年至数百光年不等。

    另一种是星系(群、团)级别的空旷,这个尺度太大,思索许久我决定还是上个图解决吧……

    其实以人类视角观察,太阳系也足够空旷了[10],不过与前两者相比简直不值得一提。(不过在本回答中是有提及的哟,请留意彩蛋)

    接下来就重点说说恒星级别的空旷,再以此为基础挑战一下星系(群、团)级别。

    恒星级别的「空旷」

    首先请各位接受这样几个设定:

    1. 两两恒星间存在一条高速公路,每条高速公路上没有任何自然 / 人造光源。
    2. 每颗恒星都是一个收费站,自带光芒。
    3. 高速公路没有服务区。

    这样一来一个庞大而没有路灯且没有服务区的「银河系高速公路网」就建立起来了。

    [​IMG]

    万恶的银河系高速公路网哼。

    那整个高速公路网有多少收费站呢?大概四千亿个吧。[1]

    [​IMG]

    (银河系高速公路网四千亿收费站分布模拟图,咦,好像有点多 来源:NASA)

    这哪叫有点多!!!区区一个银河系居然有四千亿个收费站!!!某天朝也不会那么丧心病狂好吧!!!

    为方便表达,请允许我建立一个很奇葩的比例尺,这个比例尺的大小是:

    [​IMG]

    读作「一比一点五万亿」,没记错的话一般地图的比例尺大概也就是百万级别,你们感受一下。简单来说就是将日地距离当作一分米。光线走这「一分米」的距离也需要差不多八分半钟哦。

    天文学上有个叫「秒差距」(pc)[2]的距离单位,在当前比例尺下,

    [​IMG].

    目前估计银河系直径约为 31-37kpc[1],取中间值 34kpc,那么我们就把银河系压缩成直径

    [​IMG]

    的一个玩意,这大约是地月系的大小。

    嗯比例尺也设定好了,我们先来看看距离太阳 100 千米(5 pc)以内的收费站有多少。

    目前知道的有 54 个[9]

    [​IMG]

    看上去 54 个好像很多的样子,可是他们可不像地球的收费站分布在同一个平面上。

    在这样一个以太阳为球心,半径 100 千米的天球上沿同一条子午线每隔 10° 画一个过球心平面(±5° 视为在同一平面),那一共会有 18 个平面,平均每个平面上有 3 个收费站。鉴于太阳在银河系的位置比较适中(与中心和边缘的距离相当)[1],姑且把这个密度当作是银河系的平均水平。

    换句话说,每 [​IMG] 才会出现一个收费站。

    这算是什么水平呢?

    我在中华人民共和国审计署网站上找到这样一段文字[13]

    截至 2005 年底,上述 18 个省(市)收费公路总里程 13.31 万公里,约占全国收费公路总里程的 70%,其中:政府还贷公路 10.19 万公里,经营性公路 3.12 万公里。共设置收费站点 4328 个,平均每个省(市)240 个,其中广东省最多,为 342 个。​

    哦不我大吃省躺抢……这不是重点,重点是我们可以知道全国公路收费站大约有 6000 个(4328/0.7)。

    [​IMG]

    (画面太美我不敢看……)

    平均每 [​IMG] 就有一个收费站。

    真实密度必定比计算值要大,因为我把青藏高原等没有收费站的地方也算进去了。不过银河系高速公路网的情况其实也类似,旋臂上的收费站较密,旋臂与旋臂间的收费站较少。

    再来看看太阳附近几个著名「收费站」的距离。

    首先是最近的比邻星(1.295 pc)[3],也就大概 27 千米的样子,好像不太远嘛!

    但是别忘了,两个收费站之间没有任何自然 / 人造光源

    看看全银河系(地球人看起来)最亮的天狼收费站(2.64 pc)[4],54 千米,相比比邻星远了一倍。

    然后看看著名情侣收费站牛郎(5.14 pc)[5]织女(7.68 pc)[6],两者分别距离我们太阳 106 千米(牛郎)以及 158 千米(织女)。

    用了一个如此小的比例尺虽然还是异地恋,但是牛郎织女愉快地表示终于摆脱了一年只能滚一次床单的设定啦。

    [​IMG]

    (太阳(系)附近的大型收费站 作者:Andrew Z. Colvin

    图中显示了距离在 300 千米内(约 15 pc)的大型收费站分布。维基百科上有个完整统计[8],粗略数了一下,接近 300 个。

    再来看看人们熟知的北极星收费站(132pc)[7],其实人家的正式名称叫「勾陈一」。勾陈一收费站距离太阳约 2700 千米。

    我百度了一下,这个距离大概是广州到北京的距离(高速公路约 2170 千米)。

    先不说少算了 500 千米,想象一下,从广州开车到北京,

    全。程。没。有。光。源。哦。亲。

    连。服。务。区。也。没。有。哦。

    上。厕。所。都。成。问。题。哦。

    你们感受一下。


    如果用同样的比例尺换算太阳到银河中心收费站的距离(8.34 kpc)[1],那已经跑出地球了,一旦跑出地球,感受就不直观了,于是我很机智地在比例尺的分母最后又加了一个零,变成这样:

    [​IMG]

    日地距离相当于一厘米。身边有尺子的话可以拿出来比划一下,此刻太阳和地球就在大家的指尖。

    这个时候银河中心收费站有多远呢?假设你手捧着太阳以及八大行星(此时太阳和海王星之间的距离只有 30 厘米)站在广州塔塔顶,

    [​IMG]

    大家猜猜银河系中心在哪儿?

    [​IMG]

    哟,这不是耶稣基督嘛。

    PS:当日地距离等于一分米时,八大行星到太阳的距离是这样的:

    [​IMG]

    红圈部分,单位分米。

    距离最远的海王星离太阳约 3 米。如果在大学宿舍放这样一个太阳系,水金地火能放在桌子上,而海王星应该在门口外了。

    不要嫌小哦~不然来看看这个:If the Moon Were Only 1 Pixel

    打发时间必备神器。


    星系(群、团)级别的空旷

    现在大家应该会有「银河系好像还挺空旷」的感觉。以此为基础咱们来感受一下「空旷」的宇宙(题主比较懒就直接搬运维基百科了,原作: Andrew Z. Colvin):

    银河系。其实这样子看一点也不觉得空旷对吧……

    [​IMG]

    本星系群:

    [​IMG]

    室女座超星系团(图中一点代表一个星系):

    [​IMG]

    本超星系团:

    [​IMG]

    无语凝噎……

    [​IMG]

    总体来说星系在宇宙的分布相对均匀,但在局部存在聚集现象,从而形成不少空洞[11]。这些空洞是如此之大[12],不是我等人类的脑洞可以比拟的……

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