一、概述：银河系在宇宙中的位置

自人类文明以来，人类就一直在思索终极问题，如宇宙起源，人类起源，时间，空间等等。这些终极问题的拷问，伴随着整个人类文明史。

宇宙一词，最早出自我国古代著名哲学家墨子。他用“宇”来指东、西、南、北，四面八方的空间，而用“宙”来指古往今来的时间。

人类目前的可观测宇宙其实是个球体——一个以亿光年为半径的巨型球体。

光谱出现红移的星系表明它们在远离银河系。不仅如此，距离银河系越远的星系，其光谱的红移值越大，这意味着它们的退行速度越快。星系的距离和退行速度呈现出线性关系，这就是著名的哈勃定律。宇宙本身的结构正在膨胀，而造成光线明显红移衰退的原因是，来自遥远光源的光线被空间本身的膨胀拉长了。

银河系示意图

银河系示意图

太阳系的运动(据互联网资料)

由“普朗克”太空望远镜收集的数据绘制而成的人类首张宇宙全景图，将宇宙全貌呈现于世人面前（欧洲空间局（ESA），）

银道坐标系，是以太阳为中心，并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球坐标系统，它的“赤道”是银河平面。相似于地理坐标，银道坐标系的位置也有经度和纬度。

行星划分简图(据互联网资料)

行星划分简图(据互联网资料)

行星划分简图(据互联网资料)

拉尼亚凯亚超星系团内包含约10万个星系，范围达到约1.59亿秒差距（5.2亿光年）。拉尼亚凯亚超星系团的重力中心，称为巨引源（GreatAttractor）。拉尼亚凯亚这个词来自于夏威夷语，意为“无尽的天堂”。质量相当于太阳的1X倍,或者是银河系的10万倍，我们的银河系就位于这张宇宙之网的一条“流苏”上。

使用电波望远镜绘制的本星系群的星系运动成分布图

(BrentTullyetal.,Nature)

上图中，朝向我们而来的星系标为黑色，远离我们而去的星系标为红色。拉尼亚凯亚超星系团正对着夏普力超星系团移动。图中显示了银河系的位置。

二、宇宙的图像

目前为止人类观测最远的星系——GN-z11，根据哈勃望远镜的测定，它的年龄高达亿年，距离我们大约亿光年。根据测定CMBR——宇宙微波背景辐射——粒子的红移量，得到了共动距离，大约是亿光年，这就是可观测宇宙半径。共动距离——这个固定值，描述可观测宇宙的尺度，和宇宙一起膨胀，不随时间变化。测量宇宙距离的量天尺，跟宇宙膨胀一起共动——共同膨胀。这种想象出来的量天尺，测量出的距离就是共动距离，也有叫同移距离的。这就意味着，测出来的仍是膨胀前的数值，所以，共动距离是一个固定值。

宇宙第一束光——宇宙微波背景辐射，在亿年里跨越了亿光年，大大超过了亿年的光行距离。绝不是宇宙第一束光超越了光速，而是宇宙加速膨胀，使得第一束光看起来好像超光速，这是我们作为观测者，看到的一种观察效应。

如果宇宙起源于炽热致密的奇点，那么，发生过大爆炸的早期宇宙必然非常热。倘若早期宇宙处于高温的状态，即便经过上百亿年的空间膨胀和冷却，这些热量不会消失。皮布尔斯等人预测，现在的宇宙中还残留着高于绝对零度几度的背景辐射，可以在微波波段探测到。人类能观测到宇宙早期热辐射。宇宙亿年前开始膨胀（称之为大爆炸），观测到的是其诞生38万年后的热能。这种热能覆盖整个天空并且布满宇宙（事实上热能仍然在宇宙中弥漫着）。可以使用宇宙背景探测器、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克探测器来测绘。

普朗克太空探测器在年5月升空入轨，其主要功能是探测宇宙微波背景辐射、帮助科学家研究早期宇宙形成和物质起源的奥秘。欧洲航天局年发布这幅“宇宙微波背景辐射图”，显示宇宙诞生38万年后的情形。

这幅迄今最精确的反映宇宙诞生初期情形的情境图几乎完美地验证了宇宙标准模型，并且显示宇宙诞生时间比之前推测的要早得多。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约.2亿年。宇宙诞生之初发生的大爆炸持续时间非常短，仅有几分之一秒，然后迅速膨胀，最终变成我们居住的广阔空间。宇宙年龄亿年，也可以说是光行时，或者说回溯时间是亿年。

宇宙微波背景辐射图（CMB）（依据“普朗克”最初15个半月收集的数据绘制，ESA）

上图代表“大爆炸”38万年后的宇宙景象。在椭圆形边缘的图案内，密布蓝色和棕色的光点，代表辐射温度波动

上图为“大爆炸”38万年后宇宙景象（复合时期），宇宙温度降低，电子和原子核结合形成稳定的中性氢原子和氦原子。宇宙开始变得透明。光子可以自由的在空间中传播，形成今天天文学家观测到的宇宙微波背景辐（CMB）。通过CMB，天文学家破译了宇宙的年龄，揭示了宇宙成分。

观测表明，宇宙微波背景辐射十分均匀，无论朝着哪个方向观测，都会接收到相同的背景辐射，温度大约为2.开氏度，它们是来自于宇宙年龄为38万年时的宇宙第一缕曙光。背景辐射中存在大约百万分之五的温度涨落，这种极其轻微的不均匀性最终引发了星系、星系团等大尺度结构的形成。各向同性的宇宙微波背景辐射表明，早期宇宙处于高温高密度的状态，这是宇宙大爆炸的另一大独立证据。

WMAP拍摄到大爆炸发生后宇宙微波背景的影像

全天婴儿期的宇宙图（All-skyimageoftheinfantuniverse）

（根据威尔金森微波各向异性探测器九年的数据制作，NASA/WMAP科学团队）

从宇宙大爆炸开始，大概30万年后，宇宙最早一批原子才开始诞生；到大概38万年，光子才开始在宇宙中向四面八方传播，此时整个宇宙直径只有1亿光年。这些最初的光子，一路飞越到现在，就是今天探测到的宇宙微波背景辐射，简称CMBR。可以说是宇宙大爆炸的余波，也可以说是“宇宙的第一束光”或者：“婴儿宇宙快照”。

通常说的亿光年，是指可观测宇宙（就是以观测者为中心所能观测到的宇宙范围）的直径。人类目前的可观测宇宙其实是个球体——一个以亿光年为半径的巨型球体。根据测定CMBR——宇宙微波背景辐射——粒子的红移量，得到了共动距离，大约是亿光年，这就是可观测宇宙半径。

宇宙微波背景辐射图(据互联网资料)

宇宙微波背景辐射图的观测，证明了宇宙大爆炸模型的正确性，并且否定了其他可能的宇宙模型。

三、大爆炸宇宙论

“大爆炸宇宙论”（TheBigBangTheory）是比利时天文学家和宇宙学家勒梅特（GeorgesLematre）于年首次提出的一种假说，是现代宇宙学中最有影响的一种学说，认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史，在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸，宇宙来源于亿年前的“创世大爆炸”。宇宙是由一个致密炽热的奇点，亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。宇宙内最初的所存物质和能量都聚集到一起，并浓缩成一个体积极小、能量和物质密度却大到无法想象的“粒子”，之后这个“粒子”瞬间发生大爆炸，并且向四周无限扩展，各种射线呈放射状散开，随后逐渐凝固成质点。

宇宙快速膨胀后发生的一些重大事件，在短短几秒钟内就已完成。宇宙诞生时，是一个难以想象的高温致密点。现今行星和恒星由一些更重的原子组成的，如氢和硅等元素组成，但当时宇宙突然膨胀时，异常高温，除了最基本的粒子，如夸克和光子之外的任何元素，都可以存在。

为了物质存在，宇宙必须冷却。随着宇宙快速膨胀，巨大能量在空间中被稀释，宇宙开始冷却下来。这种快速冷却导致物质形成，在1/秒内，质子和中子就形成了。仅仅几分钟后，它们就粘在一起，形成原子核。但直到几十万年后，电子与原子核结合后，才形成了完整原子(注:宇宙的这些时间表只是粗略的估计，几乎不可能确定宇宙形成时重大事件发生的确切时间)。

大爆炸的宇宙年表（图片来源：ParticleDataGroupatLawrenceBerkeleyNationalLab）

纵向为大爆炸扩张的时间坐标

在大爆炸发生之初，物质只能以粒子形态存在，之后宇宙不断膨胀，温度和密度也不断下降。宇宙诞生后零点几秒的时候，宇宙温度已经降到了10Mev(兆电子伏,MillionelectronVolts)以下（差不多几百亿度量级），质子和中子就开始形成了。所谓氢原子核，其实就是质子温度下降并且逐渐冷却之后，会逐步形成原子、原子核及分子。在爆炸两秒钟之后，在亿度高温下产生质子和中子，在随后的自由中子衰变的11分钟之内，形成重元素的原子核。大约又过了1万年，产生氢原子和氦原子。最后复合成通常的气体；散落在空间的物质便开始局部联合，气体逐渐凝聚成星云，星云又形成各种恒星及星系，星云发展过程中，大部分气体变成星体，其中一部分物质因受到星体引力作用，变成星际介质。最终经过亿年的演化才变成今天的宇宙模样。

大爆炸理论是一种强有力的科学理论，它解释了宇宙悄无声息地从无物状态下爆炸，迅速形成空间和时间，同形成生星系、恒星和行星。下面的时间线是亿年以来宇宙演化的生动表现——从大爆炸的起源到宇宙的最终未来。

大爆炸的宇宙年表（据互联网资料）

大爆炸宇宙理论-亿年前宇宙形成演化模式图中，纵向为大爆炸扩张的时间坐标，星系和行星不断演化，暗能量加剧扩张。

从宇宙大爆炸开始至今，宇宙的整体是由极快速到极慢速的过程来演化的。根据现在的宇宙大爆炸理论，粗略地看来可分为四个阶段：1）宇宙大爆炸至1百万年的时间里，那主要是一个高温高密度的宇宙背景辐射的阶段。2）大爆炸后的1百万年至1千万年，这个阶段主要是大量的氢氦膨胀并聚拢的阶段。3）1千万年至10亿年之间，这个阶段主要是第一代的恒星的诞生，然后到恒星的死亡而诞生出第一代的超新星和黑洞。4）大爆炸的之后的10亿年至今，这个阶段经历了星体的聚集，然后合并成星系团，再然后宇宙以星系团的方式继续膨胀至今。

大爆炸理论的说明图解（据互联网资料）

纵向为大爆炸扩张的时间坐标

大爆炸理论的宇宙年表（据互联网资料）

大爆炸理论的时间演化模式图（据NASA/WMAPScienceTeam）

大爆炸理论的时间演化模式图（据互联网资料）

宇宙最初是一种充满能量的高能态，后来宇宙逐渐冷却，能量渐渐凝结成了微粒子。爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。在最初几分钟里经历了原初核合成过程。当宇宙温度降低到一定程度时，稳定的氢原子核（质子）和中子就能大量形成，氢原子核又会与中子进一步结合成氦原子核。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。当空间进一步膨胀，宇宙迅速降温，其他更重元素没有条件被合成出来，它们都是来自于后来的恒星核聚变、超新星爆发以及中子星碰撞。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

大爆炸理论的时间演化模式图（据互联网资料）

大爆炸是以能量为核心的理论。大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。虽然宇宙大爆炸理论还不尽完美，但它是目前描述宇宙起源和演化的最好理论，未来还会不断得到完善。

本文据（李江海，，《世界地质学》（讲义））修改补充