普通天文学/大局
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宇宙是一个巨大的地方 - 对我们来说太大了，我们无法理解。 但是有多大呢？ 天文学家几个世纪以来一直在努力解决这个问题，他们对已知宇宙的看法一直在稳步增长，达到了难以想象的巨大尺寸。 这是一个重要的问题，也是我们理解宇宙本身的基本部分。 要研究天文学，必须了解那里有什么，所有事物如何关联以及我们在宇宙中的位置。 问题是，尺度，即物体类别的大小，对于比地球大得多的物体来说太陌生了。 在一个巨大的宇宙中，这可能是一个挑战。 为了解决这个问题，让我们尝试将我们熟悉的周围的真实世界与陌生的宇宙尺度联系起来。
如果你是一名学生，你可能每天都会看到你的老师在黑板上写字。 黑板是你比整个宇宙更熟悉的东西，因为你可以看到它并触摸它。 你知道黑板、粉笔、标记、橡皮擦等的大小，因为它们就在手边。 黑板比用粉笔在黑板上做的点大多少？ 事实证明，对于一块中等大小的黑板和一个相当大的粉笔点，答案大约是一千。
现在让我们考虑一下比黑板大一千倍的东西。 黑板大约几米宽，所以我们要考虑一下大约几公里宽的东西。 这就像一个小城市的规模。 如果一个城市比黑板大 1000 倍，而黑板比黑板上的标记大 1000 倍，那么这是一种有用的联系，可以帮助我们思考一个城市的大小：我们可以说城市里的黑板就像黑板上的标记一样。
通过这种方式，我们现在将从城市迈向更大的宇宙。 每一步骤，我们都会考虑比上一步大（非常粗略地）一千倍的东西。 随着我们的前进，我们旅程中的每一站都将比下一站小得多，就像黑板上的一个标记。
城市远比我们用作参考点的黑板大，但它仍然是我们非常熟悉的东西。 许多人每天都会开车穿过他们家乡的一部分并返回。 在大多数小城市里，即使有交通灯，也可以在半小时内开车穿过，从一头走到另一头只需要几个小时。 正如承诺的那样，下一步将更大，也更远离我们的日常经验。 我们的下一站将有几千公里的规模，那是地球的大小。
在汽车里，你可以在不到一个小时的时间内开车穿过一个城市，即使是慢速行驶。 如果你可以以每小时 60 英里（每小时 100 公里）的速度绕地球行驶，昼夜不停地穿越陆地和水域，这将需要整整 17 天。 请记住，在每小时 60 英里的速度下穿过一个小城市只需要几分钟。 十七天远比几分钟长得多。 最快的喷气式飞机的最高速度约为每小时 2,000 英里（3,200 公里），可以更快地绕地球飞行。 以这样的速度，你可以在 11 小时内绕地球一周。 即使是像这样的速度，在我们继续向宇宙深处移动时，也会很快变得不足。
地球的大小是岩质行星、类地行星的典型大小，但主要由气体组成的行星，如木星和土星，要大出几倍到十倍。 一般来说，我们可以期望相同类型的物体具有相似的特性。 在没有关于行星的其他信息的情况下，我们可能会猜测它的半径与地球的半径相同。 如果我们知道我们的假想行星是一个更大的气态巨行星，我们可能会改变我们的估计，并猜测该行星的半径与土星的半径相同。
这个尺度代表了绝大多数人类的经验。 只有少数人曾经进入地球轨道，而且这些人仍然非常靠近地球。 大多数发射的卫星都非常靠近地球。 例如，航天飞机的轨道高度仅为几百公里——地球半径的百分之几。 有些航天器被送往其他行星或月球，但大多数都停留在我们旅程中这一步的尺度上。 只有 24 人——阿波罗宇航员——曾经离开地球轨道去访问我们旅程中的下一站。
随着我们继续前进，我们达到了大约 1000 倍地球周长的距离。 到月球的距离大约是地球直径的 30 倍，因此月球在这步中很容易触及，但剩余距离中几乎没有其他东西。 最近的行星，火星和金星，超出了我们的范围。 除了地球和月球外，我们发现地球附近的空间几乎完全是空的，只有偶尔经过的小行星或彗星。
虽然考虑到包围地球-月球系统的巨大空间，月球似乎很近，但我们应该记住，地球和月球实际上相距很远。 如果我们能坐上汽车开车去月球，这趟旅程将需要五个多月的连续驾驶——每天 24 小时，每周 7 天。 如果我们的喷气式飞机能飞到月球，那么它需要五天才能到达那里。 这些旅行现在变得更长了，但仍然可以管理。 徒步旅行要长得多——步行去月球需要九年！ 光在宇宙中比任何其他东西都快。 它的速度为每秒 300,000 公里（186,000 英里）。 以这样的速度，光可以在一秒多一点的时间内到达月球。 这种距离，即光在一秒内传播的距离，被称为光秒。
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再往前一步，我们将接触到大多数行星。 我们现在囊括了太阳系的大部分，包括太阳和所有围绕它运行的物体。 这个尺度大约有 50 亿公里宽，是地球和太阳之间距离的 30 倍。 从地球到太阳的距离是太阳系中测量的一个方便的标准，因此天文学家使用地球-太阳的平均距离作为标准单位，称为天文单位 (AU)。 一个天文单位大约等于 9300 万英里或 1.5 亿公里。 我们可以说我们现在工作的尺度是 30 个天文单位，简称 30 AU。 以地球为中心的这个大小的盒子可以轻松地容纳土星的轨道，但天王星、海王星和冥王星仍然太遥远了。 在人类历史的大部分时间里，人们不知道这个盒子之外的太阳系天体存在。
请记住，我们的尺度比上一步增加了巨大的倍数，达到了 1000 倍。 使用我们的喷气式飞机从地球飞往土星大约需要 50 年。 光从土星传播到地球大约需要 80 分钟，具体取决于地球和土星在轨道上的位置。 由于光从土星传播到地球需要这么长时间，我们在特定时刻看到的来自该行星的光实际上是在 80 分钟前发出的。 这意味着我们看到的不是土星现在的状态，而是 80 分钟前的状态。 这也意味着向太空望去就像回顾过去。 我们看得越远，光就越古老。 对于土星来说，这并不重要，但随着尺度的增加，它将变得越来越重要。
与之前一样，我们可以用光速来衡量距离。 光秒是光在一秒内传播的距离。 同样，光分是光在一分钟内传播的距离。 这意味着土星距离我们 80 光分。 同样，我们可以写出土星距离我们 1.3 光时，这大约等于土星与太阳之间的距离。 土星的轨道远大于地球的轨道，地球的轨道半径只有 8 光分。 这是一个关于太阳系的惊人和重要的事实——岩质行星，类地行星，靠近太阳并彼此靠近运行，但巨大的气态行星，类木行星，以更远的距离运行，轨道间距更大。
我们旅程的下一步将涵盖 30,000 AU 的距离，或半光年。 虽然这一步完全包围了行星，但太阳系天体存在于更远的距离。 这些天体形成了奥尔特云——一个包围太阳的巨大、稀疏的彗星区域。 奥尔特云几乎是空的，但它仍然存在。 在这一步中，我们只覆盖了太阳影响范围的一部分，并且大量奥尔特云仍然超出了我们的范围。 据认为，奥尔特云从太阳延伸出去，最远可达两光年。
如果我们看看这一步之外，我们发现最近的恒星，比邻星，距离大约四光年。 旅行者 1 号和 2 号将需要 80,000 年才能到达这颗恒星。 （这些飞船于 1977 年发射，速度为 51,500 公里/小时。） 随着其他恒星进入视野，太阳将不再是主要的引力源。 这意味着我们可以预期太阳系会在我们开始接近其他恒星时真正结束。
我们的下一步将把我们置于一个 500 光年的盒子中。 这个尺度足以容纳太阳、半人马座 α 星以及许多其他恒星。 事实上，大约有 250,000 颗恒星距离地球 500 光年以内。 天文学家将这个区域称为太阳附近区域。 正如我们所见，银河系中的恒星相距很远，它们之间有 vast stretches of mostly empty space。
太阳附近区域（以及整个空间）中的恒星大多又小又暗。 如果这些更暗的恒星距离我们更远，它们就太暗了，无法从地球上看到。 更亮的恒星比较罕见，但它们可以从更远的地方看到。 因此，从地球上看，两种“类型”的恒星填充了天空：固有亮度低但附近的恒星，以及明亮且更远的恒星。
随着我们继续向外旅行，我们看到随机散布的恒星形成了一个模式。 旋臂结构出现，我们看到地球、太阳系和附近的恒星聚集在一起，形成了一个有序的恒星系统，称为星系。 我们的星系被称为银河系。
就像太阳系一样，银河系也呈扁平的圆盘状，但银河系要大得多。我们的银河系包含数千亿颗恒星，而太阳系只是其中的一员。太阳位于银河系的旋臂上，距离中心约三分之二，它与所有其他恒星一起绕着银河系的中心运行。如果银河系长五十英里，太阳系就只是一颗笔尖大小的点。实际上，银河系宽 10 万光年，但只有几千光年厚。
当我们开始向下一步迈进时，我们看到其他像银河系一样的星系开始出现。与银河系中的恒星相比，星系之间排列得更加紧密，星系之间的碰撞更加常见。仙女座星系是离银河系最近的星系，距离我们 250 万光年，并且正在与地球发生碰撞。不过不用担心，这场碰撞要 30 亿年后才会发生。
在比上一步稍大的尺度上，我们看到星系聚集在一起。这些**星系团**通常包含数百个星系，跨度达数百万光年。星系围绕着星系团的中心运行。银河系是室女座星系团的一员。它绕着星系团的边缘运行，因此我们可以在天空中一个较小的区域内看到它的中心，这个区域位于室女座方向。目前，银河系正在远离室女座星系团的中心。然而，在遥远的未来，星系团的引力将会减缓银河系的运行速度，并将它拉回来。
虽然我们现在涵盖了更多物体，但星系团的尺度并没有比上一个尺度扩大 1000 倍。直到我们达到数亿光年的尺度，我们才真正踏上了旅程的下一步。在这个尺度上，甚至星系团也会形成更大的集团。这些星系团的集团被称为**超星系团**。一个超星系团可能包含数十万个星系。室女座星系团是处女座超星系团的一员。
我们 5 亿光年范围的边缘发出的光线在到达我们之前已经传播了 5 亿年。这意味着我们看到的是 5 亿年前的处女座超星系团。五亿年可能很长，但对于宇宙来说，还不够长到发生显著的变化。即使光线很古老，处女座超星系团边缘的宇宙看起来仍然与附近的宇宙很相似。
当我们继续从 5 亿光年的尺度向外扩展时，我们看到的是越来越古老的宇宙部分。随着距离变得非常大，我们开始看到数十亿年前的宇宙，宇宙整体的重大变化变得很重要。越往回看，我们越能看到第一个星系团、星系和恒星的形成。最终，我们看到宇宙如此年轻，以至于还没有形成恒星。在第一批恒星形成之前，宇宙冷却到足够密集，以至于太空中松散的、未使用的气体可以阻挡可见光。在这之外，我们就再也看不清了。这堵墙内部的内容被称为**哈勃体积**，也称为可观测宇宙。我们无法观察到这个体积之外的物体，因为来自这些遥远物体的光线还没有到达我们。
宇宙无限延伸，但我们的视野仅限于哈勃体积。试图到达哈勃体积的边缘是不可能的。你永远也无法到达它，因为它只是一个幻觉。如果你试图到达我们看到哈勃体积边缘的地方，你将看到你周围的宇宙，就像它今天的样子，而不是数十亿年前，并且你将在你周围看到哈勃体积的边缘，距离数十亿光年。
进一步延伸不可避免地会深入理论的领域，并且会跨越我们所看到的和我们无法看到的界限。一些人推测宇宙本身并不包含所有存在的事物，并且可能存在其他宇宙，这些宇宙具有不同的物理定律，它们在多元宇宙中以集群和群体的方式共同存在。
当我们越往外看，许多人注意到一定有一个边缘、一个尽头、一个现实的边界。另一些人推测宇宙，或者它所处的多元宇宙，是无限的，没有这样的边界。然而，在目前，对于这些问题还没有绝对的答案。
关于宇宙是什么样的，还有很多未知之处，但自从人类开始思考周围的世界以来，我们对宇宙的认识已经发生了巨大的变化。天文学家怀着好奇心和科学工具，几个世纪以来一直在探索天体，他们的工作今天还在继续。
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