上一期介绍了室女座超星系团，那么在它之上更大的结构，就是拉尼亚凯亚超星系团，直径约为5.2亿光年，大概是室女座超星系团的5倍，总质量不清楚，至少达到了10×1016倍太阳质量，也就是室女座超星系团的10倍。讲室女座超星系团的时候，留了一个尾巴，就是天文学家发现，它并不是一个引力束缚系统，其中的很多星系并没有向着室女座超星系团的中心室女座星系团移动，而是朝着人马座方向的一个神秘天体快速移动，而且该天体距离地球超过了2亿光年，这就说明它位于室女座超星系团的外部。因为引力巨大，所以人们就将其称为巨引源，那么这个巨引源到底是什么东西呢？今天的故事要从类星体开始讲起。
拉尼亚凯亚超星系团
上世纪50年代，射电天文学蓬勃发展，和传统的天文观测不同，射电天文学关注的并不是天体发出的可见光，而是它们发出的无线电波，代表人物就是英国天文学家马丁·赖尔。二战结束后，赖尔在剑桥大学组建了一个射电天文学研究小组，而整个50年代，赖尔的研究小组利用自己制造的射电望远镜，就发现了几百个可以发出无线电波的天体，也就是所谓的射电源，于是基于这些发现，他们就发布了一个射电源星表，叫做“剑桥射电源第三星表”，英文缩写是3C。有了3C星表之后，各路天文学家可就来兴趣了，他们要研究一下这些射电源的真面目以及它们的准确距离，这其中就包括哈勃的继任者、美国天文学家艾伦·桑德奇。1960年，在3C星表中，桑德奇发现了一个奇怪的天体，编号为3C48。
3C48
它奇怪在哪呢？就是3C48的亮度会发生变化，这就意味着它不可能是一个星系，因为一个星系的亮度要想发生显著的变化，没有别的办法，那得是其中的几十亿、上百亿颗恒星，同时变亮或是变暗，但这显然是不可能的。于是桑德奇就认定，3C48是一颗恒星，前面我们也讲过，作为一种特殊的红巨星，造父变星的亮度就会发生周期性的变化。但问题是如果3C48是一颗恒星，那它就太诡异了，因为分析它的光谱，咱就找不到相对应的化学元素，难道组成这颗恒星的元素，人类还没有发现？不是没有可能，但可能性微乎其微。就这样3C48让整个天文学界陷入困惑，于是人们就给它起了一个名字叫类星体，意思就是类似于恒星的天体，那么类星体到底是什么鬼东西？为了揭开谜底，桑德奇又对3C48进行了持续两年的观测，但始终一无所获。
转机出现在1962年，当时桑德奇有一个同事——荷兰天文学家马丁·施密特，施密特在3C星表中也发现了一个类星体，编号为3C273，然后也和桑德奇一样，施密特也开始研究3C273是什么东西，这一研究真是遭老罪了，给施密特搞得是心力交瘁。但是就在他要放弃的时候，这哥们灵光一现，虽然3C273的光谱非常诡异，但是大体上看，它和氢元素的光谱是比较接近的。妥了这下思路就打开了，3C273应该也不是很神秘，它和其他恒星一样由氢元素构成，不过是因为某种原因影响到了氢元素的光谱。什么原因呢？这就是红移。根据多普勒效应，如果天体在远离地球，它发出的电磁波就会被拉长，也就是说频率变低，直观表现就是向红端移动，这个现象就是红移。
3C273
红移值越大，说明天体远离地球的速度就越大，另一方面，我们知道宇宙是在膨胀的，而且是均匀膨胀，所以相应的，红移值越大，也意味着该天体距离就越远。施密特计算发现，要想使得氢元素的光谱和3C273的光谱相吻合，那么红移值就要高达0.16，红移值0.16这是什么概念？再经过一番精密的计算，施密特得出结论，3C273距离地球22亿光年。而就在施密特揭开类星体诡异光谱之谜的时候，他的另一位同事、美国天文学家杰西·格林斯坦正好路过了他的办公室，得知施密特的发现，格林斯坦马上就意识到，桑德奇发现的3C48的诡异光谱，也可以用同样的理论进行解释。然后他就跑回办公室一通计算，很快他就测出了3C48的红移值是0.37，而这个红移值对应的距离高达49亿光年。3C48也由此成为了当时人类发现的第二远的天体，第一远的天体其实也是在3C星表里发现的，代号是3C295，距离地球50亿光年，发现者也是他们的同事——德裔美籍天文学家鲁道夫·闵可夫斯基，不过这个3C295并不是类星体，它是一个星系。
3C295
不管怎么样吧，天文学家终于搞明白了类星体奇怪的光谱，它就是氢元素的光谱，另一方面现在距离知道了，天文学家也搞清楚了3C48和3C273的大小，确实就是恒星那么大。那么得出这样的结论之后，是不是说类星体就是恒星呢？还是不行，因为不管是3C48还是3C273，它们的亮度都太亮了，穿越22亿光年、49亿光年，还能这么亮，只有大型星系才能做到，可是类星体的大小和恒星差不多，又小又亮这能是什么？根据当时的认知，无非就是两个候选，一是超新星爆发二是伽马射线暴，但问题是，超新星爆发和伽马射线暴，都是巨大的能量在短时间内集中爆发，它亮不了太久，顶多就是几十天，可是类星体不仅特别亮，而且还亮得特别持久，几年时间丝毫没有衰减的迹象。所以说光谱谜底虽然揭开了，但是类星体的神秘程度反倒是有增无减，于是乎天文学家又抑郁了。
不过任谁也没有想到，仅仅一年之后，难题就被破解了，而破解它的人却处于西方主流科学界之外，他就是苏联宇宙学教父雅科夫·泽尔多维奇。因为当时正处于冷战，所以泽尔多维奇非常神秘，多年以后，有一次霍金见到了泽尔多维奇，他就惊呼没想到你是一个真人，我还一直以为泽尔多维奇是苏联天文学家共用的笔名。那么泽尔多维奇是怎么破解了类星体的亮度之谜呢？其实他也是无心之举，实际上泽尔多维奇对类星体并不感兴趣，他感兴趣的天体是黑洞，黑洞也是上世纪60年代一个热门的研究领域，但是和欧美的天文学家不同，欧美天文学家研究黑洞，主要就是理论研究，但是泽尔多维奇野心很大，他提出一个问题，既然连光都无法逃脱黑洞，我们该怎么探测到黑洞呢？直接探测肯定是不行的，但是泽尔多维奇认为，黑洞肯定会对其周围环境产生影响，找到这种影响就可以找到黑洞。
于是泽尔多维奇就设想了这样一个物理过程，黑洞周围环绕着大量的气体，在黑洞强大引力的作用下，这些气体会绕着黑洞高速旋转，形成一个类似漩涡的结构，与此同时，最靠近黑洞的那部分气体会落入黑洞，这就是所谓的黑洞吸积。进一步的，在黑洞吸积的过程中，会发生了一个有趣的现象，就是气体在落入黑洞的刹那，会被加热到极高的温度，这样一来它就会迸发强光，也就是说，黑洞扮演了一个能量转换器的角色，它可以把被吸积气体的部分质量转化成光能，而这些强光，又会沿着黑洞自转轴的方向猛烈的喷射出去，这就形成了所谓的黑洞喷流，我们在上一期已经详细介绍过。
黑洞吸积
黑洞喷流
你看这个机制就可以很好地解释类星体的核心特点，首先黑洞的体积就不大，哪怕加上吸积盘也就和普通恒星的大小差不多。再就是不同于超新星爆发和伽马射线暴，黑洞吸积气体是一个非常缓慢的过程，一般来讲怎么也得几百万年，才能把吸积盘上的气体全都吞掉。而且吸积的过程也不是太稳定，偶尔强一些偶尔弱一些，所以类星体的亮度就会发生变化。当然不管怎么变，亮度都是非常可观的，堪比星系。也就是说，如果黑洞的自转轴正对地球，那我们看到的就是类星体，如果方向跑偏了，就可以看到穿越星空的黑洞喷流。但即便如此，泽尔多维奇的理论还没有完全解开类星体之谜，还有一个问题悬而未决，是不是所有的黑洞都可以成为类星体？如果不是，又会是什么样的黑洞？
完成最后一步的是英国天文学家唐纳德·林登贝尔。1969年，林登贝尔在《自然》杂志上发表了一篇论文，他预言，宇宙所有星系的中心都存在一个超大质量黑洞，其质量至少能达到普通黑洞的几百万倍，如果超大质量黑洞周围没有气体供其吞噬，它就会保持沉寂，反之它就会爆发了，变成一个类星体。林登贝尔的预言可以说是非常大胆，因为当时别说是遥远的超大质量黑洞了，就算是普通的黑洞，也一个没发现，很多人甚至怀疑，黑洞这个东西根本不可能存在。所以林登贝尔的理论一发表，马上就在天文学家引起了巨大争议，当然时至今日我们清楚，他的理论大体上是正确的，只不过并不是所有的星系中心，都存在超大质量黑洞，这还要看星系本身的规模。总而言之，经过多人的努力，类星体的秘密终于揭开，说白了它们都是大型星系中心的超大质量黑洞，换言之如果发现了类星体，那就证明它所依托的是一个庞大的星系。就这样通过类星体，天文学家终于找到了巨引源的真身，它就是距离银河系约为2亿光年的矩尺座星系团。
矩尺座星系团
观测发现，矩尺座星系团的质量约为太阳质量的0.5×1016倍，上一期讲到，作为室女座超星系团的中心，室女座星系团的质量约为0.12×1016倍，矩尺座星系团的质量干到了室女座星系团质量的4倍多，甚至达到了室女座超星系团质量的一半，这样一个庞然大物把室女座超星系团的众多星系给拉走，当然并不奇怪，但问题是，根据七武士的测算，要想把那么多的星系全给拉走，巨引源的质量至少要达到5×1016倍，可是实际的观测结果，只有理论计算的十分之一，这又是为什么？关于这个问题，目前还没有得到标准答案，一个比较靠谱的解释是，矩尺座星系团只是巨引源的一部分，在它背后的同一方向上，还存在着一个更巨大的引力源，这就是距离地球6.5亿光年的沙普利超星系团。不管怎么讲吧，室女座超星系团没有成为一个引力束缚系统，矩尺座星系团肯定是有责任的。
拉尼亚凯亚超星系团与沙普利超星系团
但是找到了矩尺座星系团，天文学家还不满足，2014年，美国天文学家布伦特·塔利指出，室女座超星系团和矩尺座星系团共处于一个更大的天体系统之内，他将其称为拉尼亚凯亚超星系团，拉尼亚凯亚这个名字出自夏威夷语，意思是无尽的天堂。这就有个问题了，什么算是天体系统呢？一个天体系统就可以比喻成一张蜘蛛网，蛛网靠蛛丝连接，而联结天体系统的的蛛丝就是引力。当然严格地讲，整个宇宙也是一个天体系统，毕竟引力无处不在，引力发挥作用也没有距离上的限制，所以实际上，天体系统也不是一个严谨的概念，如果偏要下一个定义，其实就是宇宙空间中，一处天体相对密集的天体结构。那我们就具体看一下拉尼亚凯亚超星系团，我记得上一期打了一个比方，说本星系群是我们所居住的市，室女座超星系团是我们所在的省，那么进一步的，拉尼亚凯亚超星系团就是国家，实际上更准确的说法应该是拉尼亚凯亚超超星系团。
这个国家主要由四部分组成，第一部分是长蛇-半人马座超星系团，但它并不是单一的超星系团，而是一大堆超星系团的集合体，包括长蛇座超星系团、半人马座超星系团、诺玛超星系团，还有阿贝尔3565和阿贝尔3547超星系团。至于前面提到的矩尺座星系团，就位于长蛇-半人马座超星系团的中心。类比地球，就好比是四川贵州湖南湖北陕西这几个省，环绕着重庆这个市。第二部分就是我们所在的室女座超星系团，第三部分是孔雀-印第安超星系团，和室女座超星系团差不多，这个超星系团也是以小城市为主，大部分成员都和本星系群差不多。最后一部分是南方超星系团。这就是拉尼亚凯亚超星系团的全貌，横跨5.2亿光年，包含十多万个星系。
拉尼亚凯亚超星系团结构
我们知道在地球上，国与国之间是相连的，很多个国家连在一起就成了大洲，那么在宇宙中，存不存在类似的大洲呢？就是说我们能不能找到一个更大的天体结构呢？答案是可以，这就是双鱼-鲸鱼超星系团复合体。目前的天文观测表明，这个大洲由5个国家所组成，最大的是双鱼-鲸鱼座超星系团，其他成员还包括英仙-双鱼座超星系团、飞马-双鱼座超星系团、玉夫-武仙座超星系团，再就是我们所在的拉尼亚凯亚超星系团。整体上看，双鱼-鲸鱼超星系团复合体大约有10亿光年长、1.5亿光年宽，总质量约为太阳质量的1018倍，也就是拉尼亚凯亚超星系团的10倍、室女座超星系团的1000倍。
双鱼-鲸鱼超星系团复合体
在上一期节目中，我们介绍了星系的分类，包括三大类型——椭圆星系、螺旋星系和不规则星系，其中螺旋星系还可以分为漩涡星系和棒旋星系，如果我们把目光局限在拉尼亚凯亚超星系团内部，哈勃对星系的分类堪称完美，不知道多到哪里去的星系都可以在哈勃序列中找到自己的位置。但如果我们把目光放远，扩展到整个双鱼-鲸鱼超星系团复合体，那么违背星系基本法的奇葩就出现了。
1950年美国天文学家亚瑟·霍格，在距离地球6亿光年处，发现了一个奇怪的星系，在这个星系的中心，有一个直径约为2.4万光年的黄色内核，而在黄色内核之外，则是一个由恒星、尘埃和气体所构成的蓝色圆环，这个圆环的外环宽度约为12万光年，比银河系的直径要略大一些。而在黄色内核和蓝色圆环之中，则存在着明显的割裂。很显然，这样的星系既不是螺旋星系也不是椭圆星系，但它长得又非常规则，所以也不属于不规则星系，于是人们就将其命名为环形星系，或者是叫霍格天体。
霍格天体
那么问题就来了，霍格天体为什么会有一个神秘的圆环呢？霍格本人的回答是，环形星系其实并不存在，它只是一种视觉上的错觉，而之所以会造成这种错觉，原因就在于引力透镜效应。我们知道引力会弯曲空间，空间一弯曲，空间上的光线也会跟着弯曲。现在我们想象这样一个场景，在地球和某个遥远天体之间存在一个星系，这个星系就是所谓的前景星系，而且三者处于同一条直线上。那么遥远天体发出的光，首先就会被前景星系弯折，然后才能汇聚到地球。也就是说，如果把遥远天体视作光源，那么前景星系就相当于一个宇宙凸透镜，所以这种现象就被称为引力透镜效应。更具体地看，引力透镜效应还可以分为两种不同情况，第一种情况是，前景星系的质量不太大、引力也不太强，就是说它扭曲空间的能力很一般，这个时候，前景星系就会遮挡住遥远天体，但是它的边缘，会出现明显的扭曲和变形，这就是所谓的弱引力透镜效应。第二种情况是前景星系的质量非常大、引力非常强，扭曲空间的能力很不一般，那么在这种情况下，它后方遥远天体发出的光，就可以绕过前景星系，然后在地球上被观测到，这就是所谓的强引力透镜效应。
引力透镜效应
弱引力透镜效应
比如说在1985年，天文学家就发现了著名的爱因斯坦十字，也就是一个内核、周边环绕着四个亮点，这其中的内核就是前景星系的实像，而那四个亮点就是后方遥远天体的虚像，爱因斯坦十字就是强引力透镜效应一个最典型的例子。那么从理论上讲，如果前景星系的质量再大一些，还会出现更诡异的景象，这就是所谓的爱因斯坦环，此时在前景星系的周围，会出现一个环形结构，这个环形结构都是后方遥远天体的虚像。所以霍格认为，他发现的霍格天体本质上就是一个爱因斯坦环，没有什么大不了的。但是很遗憾或者说很惊喜，这个看似靠谱的猜想是错误的。因为在引力透镜效应中，前景星系和后方天体的距离肯定是不同的，这就意味着，二者有着不同的红移，但实际的天文观测表明，霍格天体的黄色内核和蓝色圆环的红移是完全相同的，人家就是一体的，根本不是什么前景星系的实像和后方天体的虚像。这就很诡异了，一个星系怎么就能搞出来这样一个环？
爱因斯坦十字
爱因斯坦环
目前主要有两种猜想。第一个猜想是，霍格天体的蓝色圆环起源于一次星系碰撞事件，说曾经有一个小星系，它像炮弹一样从另一个大星系的正中心穿了过去，这个过程就像是把一块石头扔到水里，然后就产生了一个向外扩散的圆形冲击波，这个圆形冲击波会把大星系的外围物质抛出去，于是就形成了一个圆环结构，与此同时它也诱发了新恒星的形成，所以就诞生了大量的蓝色新星。这个猜想看起来非常合理，因为目前天文学界也公认，星系碰撞就是塑造星系形态最核心的力量。但是只有一点说不通，如果环形星系源于星系碰撞，之前的大星系被干成环了，那么那个小星系呢？它总不会凭空消失吧，它就应该处在距离霍格天体不远的地方，比如说我们之前讲过，有一个小星系叫大犬座矮星系，这哥们已经被银河系完全吞并了，但即便如此，它的内核我们还是能找到。可是在霍格天体周围，天文学家找了一年又一年，都没有找到当年的肇事者。
第二个猜想是，霍格天体原本是一个棒旋星系，就和银河系一样，棒旋星系有一个效应被称作棒不稳定性，就是说它中心的棒状结构，无法给外围的旋臂施加稳定的均衡的引力，于是在某些特殊情况下，棒旋星系的旋臂就会散架，最后扩散成一个圆环结构。但是这个猜想也有很大的问题，这就是霍格天体的中心分明是球状的，那么棒状能不能变成球状，目前天文学家还没有关于这方面的知识水平。所以直到今天，霍格天体的形成，依然是天文学界一个巨大的谜团。但是这还不算完，还有更诡异的一幕，在霍格天体的内部，居然还有一个小号的霍格天体，这个小霍格天体又是什么？目前还没有任何猜想可以解释它的存在，实在是奇怪奇怪太奇怪了，果然是宇宙之大无奇不有。
霍格天体中的小霍格天体
好了讲完了诡异的霍格天体，我们再继续往上看，刚才讲到，说双鱼-鲸鱼超星系团复合体是一个大洲，既然我们做了这样的类比，这就说明宇宙中还有其他大洲的存在，比如说地球上有亚洲和欧洲，亚洲和欧洲组合在一起，我们可以统称为欧亚大陆，欧亚本就是一体。还有北美洲和南美洲，南北美洲组合在一起就是美洲，它们也是一体的。那么在双鱼-鲸鱼超星系团复合体这个大洲之上，我们能不能找到类似的、更大的天体结构呢？答案是肯定的，这就是星系长城。上世纪70年代，哈佛-史密松天体物理中心（简称CfA），开始全力推动一个大型的天文观测项目，这就是CfA红移巡天。话说简短从1977年到1995年，在这18年的时间中，CfA测量了20000多个亮度超过14.5星等的星系的红移，然后根据红移值的不同赋予这些星系不同的颜色，画在了一张图上，其中红色表示速度小于3000千米/秒，蓝色表示速度介于3000-6000千米/秒之间，紫色表示速度介于6000-9000千米/秒之间，青色表示速度介于9000-12000千米/秒之间，绿色表示速度介于12000-15000千米/秒之间。前面讲过因为宇宙均匀膨胀，所以星系的退行速度越快，就表示它的距离越远，于是人类历史上第一张宇宙三维地图就诞生了。
CfA红移巡天
有了这样一张三维地图，美国天文学家约翰·修兹劳马上就做出了一个轰动性的发现，他发现在北半球天区，存在着一个星系高度密集的区域，这个区域长5亿光年、宽3亿光年，厚度为1500万光年，这片星系高度密集的区域，就被称为CfA2长城。当然今天回过头看，这个所谓的星系长城，其实也没比双鱼-鲸鱼超星系团复合体大，但这并不重要，重要的是CfA开创了红移巡天这个思路，而随着技术的改进和巡天规模的扩大，更大的星系长城的出现也只是时间问题了。2000年，斯隆数字巡天项目开启了，这一次巡天的规模就相当大了，它不再局限于星系，还包括了超新星和类星体，而且斯隆数字巡天一直持续到了今天，已经巡视了上百万个天体。不过早在20年前，斯隆数字巡天就取得了第一阶段的成果，就是在距离地球10亿光年处，天文学家发现了一个由上万个星系所组成的星系密集区域，该区域的长度达到了14亿光年，这就是著名的斯隆长城。
CfA2长城
斯隆长城（上图）与CfA2长城（下图）
当然放眼整个宇宙，斯隆长城也不算什么。2013年，天文学家通过分析伽马射线暴的巡天数据，发现在武仙座和北冕座方向、距离地球100亿光年外的地方，存在着一个伽马射线暴特别密集的区域，推算显示，要想支撑数量如此之多的伽马射线暴，这片区域就必须包含几百万个星系，这片区域后来就被称作武仙-北冕座长城。这个长城能有多大呢？那真是不知道大到哪里去了，它的长度达到了恐怖了100亿光年，超过可观测宇宙的1/10。这是真正意义上的宇宙巨无霸，而武仙-北冕座长城也是目前发现的最大的天体结构，这就相当于宇宙中的欧亚大陆。
武仙-北冕座长城
介绍完了星系长城，现在让我们站在一个更高的视角上，地球上各个大洲连为一体组成大陆，而在宇宙中，这些星系长城组合在一起，就形成了一个网状结构，这就是所谓的宇宙网。组成网的线就是星系密集区域，不过对于一个网来讲，它的主体结构其实并不是线，而是网的孔洞，这就是宇宙空洞。目前发现的最大的宇宙空洞，是KBC空洞，命名自三位发现者姓氏的首字母，KBC空洞大体上呈球形，直径约为20亿光年，我们所在的拉尼亚凯亚超星系团就位于KBC空洞的边缘。
宇宙网
KBC空洞
那么进一步的，整张宇宙网能有多大呢？这就是可观测宇宙，一个以地球为球心、直径为930亿光年的大圆球。而在这个大圆球之外的空间和天体，我们就观测不到了，其中的原因就在于宇宙在膨胀。可以用气球作类比，想象一个巨大的气球，上面有一只小小的蚂蚁，这只蚂蚁正在气球表面爬行，如果气球静止不动，那么蚂蚁就可以到达气球表面的任意位置，也就是说，它可以看到气球的全貌。但如果气球本身在膨胀，而且膨胀的速度超过了蚂蚁的行进速度，那么蚂蚁就无法保证到达气球表面的任意位置了，它所能看到的，永远只是气球的一部分，这就是它的可观测气球表面。
可观测宇宙
同样的道理宇宙也在膨胀，而且是均匀的膨胀。现在有一个A点一个B点，两点相距1米，膨胀的速度是一秒钟后，AB两点相距2米。另外在AB点的延长线上有一个C点，B点和C点也是相距1米，一秒钟后，BC两点的距离也变成了2米。那你看这么一搞，AC两点在一秒钟内，就从2米膨胀到了4米，膨胀速度就是每秒2米。以此类推，如果这条直线上均匀分布了3亿个点，最左边的是A点，最右边的是Ω点，那么A点和Ω点之间的距离就是30万千米，1秒钟后它们的距离就是60万千米，这就分明超过了光速。也就是说只要两个点的距离足够远，它们就会以超光速彼此远离。当然还是要强调一下，这里的超光速并没有违背光速最大原理，因为它是空间本身的膨胀速度，而所谓的光速最大原理指的是物体在空间中的运动速度。总而言之，因为空间本身的膨胀速度超过了光速，所以我们就和蚂蚁一样，只能看到以地球为中心的一小块区域，这就是可观测宇宙。
既然说起了宇宙膨胀，我就要插一个题外话了，其实最早发现宇宙膨胀的并不是哈勃，而是另一位美国天文学家维斯托·斯里弗。早在1914年，斯里弗就利用多普勒原理测量了15个星云的径向速度，结果发现，它们都在远离地球而去，这就是人类首次观测到宇宙膨胀的迹象。但很遗憾，斯里弗后来并没有更进一步，首先他的观测条件非常有限，只有一台口径为0.6米的反射式望远镜，要想做到大规模巡天根本不可能。另外两年之后，斯里弗就因病去世，他也没有等到更好的机会，而他观测到的15个星云在远离地球，其实也无法直接推导出宇宙膨胀的结论。不过也必须承认，正是斯里弗的工作启发了后来的哈勃，因为在1914年的美国天文学年会上，斯里弗做了一个报告介绍了自己的发现，当时台下的观众里，就坐着芝加哥大学的博士生哈勃。
1929年，哈勃和自己的助手米尔顿·赫马森测量了46个星系的径向速度，结果显示它们都在远离地球，这个结论和斯里弗是一样的。但是哈勃更进一步，他同时还测量了这些星系和地球的距离，结果两个数字一组合他就发现，星系的径向速度与它到地球的距离正相关，星系离地球越远，它的退行速度也就越大。你再回想一下刚才ABC点那个思想实验，这就说明宇宙是处于一个膨胀状态的。不过到此为止，宇宙膨胀还只是一个定性的结论，但仅仅两年之后，哈勃就拿出来了定量的结论，这就是星系的退行速度与它到地球的距离成正比，这个速度与距离的比值就是哈勃常数，数学公式表示为v=H0×D，其中的H0就代表哈勃常数。哈勃定律是天文学历史上最伟大的发现之一，虽然说哈勃本人也是站在巨人的肩膀上，但毫无疑问他的贡献还是最大的。不过就在2018年10月份，哈勃定律的名字竟然被改了，国际天文学联合会将其改成了哈勃-勒梅特定律。
哈勃1929年的观测数据
这位勒梅特又是何方神圣？竟然可以和哈勃共享这一伟大的定律。此人就是比利时数学家乔治·勒梅特。一个数学家怎么就和天文扯上了关系？这就要提到爱因斯坦广义相对论中的引力场方程。简单说提出方程之后，爱因斯坦非常不爽，因为根据这个方程，宇宙在引力的作用下就无法保持静止的状态，于是爱因斯坦就在方程中，主观地引入了一个宇宙学常数，这个宇宙学常数可以产生斥力，这样一来，宇宙就可以永远处于静止不变的状态。但是看到这个方程之后，勒梅特就搞不明白了，你爱因斯坦引入这个常数完全没有道理，这根本谈不上科学精神啊。于是他就想搞清楚如果去掉引力学常数，宇宙到底会怎样。1927年勒梅特发表了一篇论文，名字特别长《将银河外星云的径向速度考虑在内，均质宇宙的质量不变、半径不断增加》，就是说去掉宇宙学常数之后，宇宙将处于不断膨胀的状态，而且勒梅特还得出结论，星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。
也是在同一年，在一次学术会议上，勒梅特遇到了爱因斯坦，两个人还拍了一张合影，当时勒梅特就向爱因斯坦提出了宇宙膨胀的假说，但是爱因斯坦根本不屑一顾，他说宇宙膨胀并不是什么新鲜东西，早在5年前，一个名叫弗里德曼的俄国数学家就提出过类似的假说，但宇宙是永恒且完美的，它怎么可能不断膨胀呢？爱因斯坦还告诉勒梅特：你的计算确实是正确的，但你的物理是可憎的。爱因斯坦这么一说，勒梅特也没有坚持，毕竟自己只是一个数学家，甚至连望远镜都没有用过，你爱咋咋地吧。但是万万没想到仅仅两年之后，哈勃的观测就让勒梅特翻了身，而且哈勃的观测完全符合勒梅特的预言。也就是说，哈勃是在天文领域发现了哈勃定律，而勒梅特则是在纯数学领域发现了哈勃定律，这就是哈勃定律被更名为哈勃-勒梅特定律的原因。
总而言之，哈勃-勒梅特定律总共揭示了两个事实，首先宇宙正处于不断膨胀的状态，其次因为这种膨胀，所以在大尺度结构上、宇宙是均匀且各向同性的，这被称作宇宙学原理。均匀指的是宇宙中的物质是均匀分布的；各向同性指的是宇宙在各个方向上看起来都一样。也就是说，对于宇宙中任意位置的观测者来讲，无论是什么时间、或是以什么角度去观测，宇宙在大尺度上看起来都一样。这就好比是一个大球突然发生了爆炸，炸成了无数个碎片，并呈球形向外扩散。假如说这些碎片都长眼睛，而且它的视野始终局限在这个扩散球面上，那么在其中任意一个碎片眼中，看到的景象并无差别。我们的宇宙也是如此，在大尺度上，所有的星系都在彼此互相远离，而且分布得非常均匀。但是勒梅特的贡献还不止于此，除了宇宙在膨胀，他还意识到，这场膨胀的大戏其实是可以倒放的。既然宇宙现在正在膨胀，那么如果往回看，它就应该有一个起点，当时所有的物质都聚集在一起，完全密不可分，这就是宇宙大爆炸理论的雏形。
当然在这条路上，勒梅特也没有进一步研究。不管怎么讲吧，大爆炸理论后来也成为了宇宙学的主流理论，那么既然宇宙有起点，它就必然有年龄，这个年龄又是怎么算出来的？这个问题还真是挺复杂，我给你打一个相当粗糙的比方，说我跑完了一场马拉松，到了终点之后突然发现芯片坏了，不知道成绩是多少，这该怎么办？好在沿途有很多观众，而且这些观众特别闲，每个人都拿着一个测速仪，看看运动员的速度是多少。5公里处有个观众说刘夫斯基经过这里的时候速度是430，10公里处有个观众说速度是440，15公里处有个观众说速度降到了5分配，反正每隔5公里，都有一个目击者测到了我的速度，那么到最后把这些速度信息汇总，就可以估算出我的成绩。当然可以想见，距离区间划分得越细，最后估算出来的成绩也就越准。最理想的情况是，我们直接拿出来一个跑步速度随着距离变化的函数，最后做一个积分，就可以得出准确的时间。
测算宇宙的年龄也是同样的道理，根据目前的大爆炸理论，宇宙膨胀可以分成5个阶段：暴胀、再加热、辐射统治、物质统治和暗能量统治。在暴胀阶段，宇宙做加速膨胀，在中间三个阶段，宇宙以不同的速度做减速膨胀，而在暗能量统治阶段，宇宙又重新回归到加速膨胀的状态。需要注意的是，不管是减速膨胀还是加速膨胀，膨胀的状态都没有变，所谓的减速膨胀是指随着时间的演进，膨胀速度持续地减慢，相反的，加速膨胀就是随着时间的演进，膨胀速度持续地加快。理论结合天文观测，然后天文学家就推演出了一个宇宙的膨胀速度随距离变化的函数，反正就是一顿操作猛如虎吧，最后计算一个积分，估算宇宙的年龄约为138亿年。那这就有个问题了，既然宇宙的年龄只有138亿年，那么可观测宇宙的直径为什么能达到930亿光年？原因还是在于宇宙膨胀，我们继续用气球和蚂蚁的例子，如果这个气球是静止不动的，小蚂蚁的爬行速度是每秒1cm，那么当它爬行了138秒后，走过的路程就是138cm，但问题是气球本身也在膨胀，而且也膨胀了138秒，所以这样一来，蚂蚁走过的路程就被气球的膨胀撑大了，所以就会远远大于138cm。
还有一个问题，刚才讲到，哈勃-勒梅特定律揭示出，宇宙在大尺度结构上是均匀的，但是天文观测表明，宇宙在很大尺度上，还是会呈现出一些特定的天体结构，比如说庞大的武仙-北冕座长城，横跨100亿光年，接近可观测宇宙的1/9，这种不均匀又该怎么解释？这其中的原因就在于，放眼整个宇宙，哪怕是100亿光年也算不上大尺度，目前的理论认为，其实可观测宇宙也只是宇宙很小的一部分，区区100亿光年根本微不足道。好了本期节目的最后一个话题，直径930亿光年的可观测宇宙，到底有多少个星系呢？这个问题看似简单，实际上非常难，主要难在两点，首先一个个去数肯定很不现实，毕竟星系的数量太过庞大，你让人怎么数？其次就算有这个时间有这个耐力，你也没法数，因为很多星系非常遥远黯淡，在地球上根本观测不到。
转机出现在上世纪90年代，因为哈勃空间望远镜升空了。当然哈勃望远镜有很多任务，所以它也不可能挨个去数，但是天文学家想到一个妙招，就是在天球面上找一块很小的区域，然后对这块区域进行长时间的观测，疯狂地拍摄照片，目的就是把这一小块区域存在多少个星系彻底数清楚了。最后用这块区域内的星系数量，除以这块区域占整个天球面的百分比，就可以估算出可观测宇宙中星系的总数。当然可以发现，这种估算方法的背后，我们是认为可观测宇宙符合宇宙学原理，以此做到通过局部推断整体。1995年12月18日，哈勃望远镜对准了位于大熊座的一块看起来空无一物的区域，这块区域的面积很小，仅占到天球总面积的2400万分之一。为了拍摄到那些特别暗淡的星系，哈勃望远镜对这块区域进行了长达10天的持续观测，拍摄底片被曝光了342次，最后叠加在一起合成了一张照片，这就是著名的哈勃深场。结果发现，这块看起来什么都没有的区域，竟然隐藏了3000多个星系，再用3000多乘以2400万，就估算出可观测宇宙的星系总数在800亿以上。
大熊座空无一物的区域
哈勃深场
基于同样的思路，2003年9月，哈勃望远镜又对天炉座的一块区域进行了观测，这一次的观测结果就是所谓的哈勃超级深场，因为观测时间更长、底片曝光的次数也更多，于是更多黯淡的星系现出了原形，最后通过哈勃超级深场，人们估算出可观测宇宙的星系总数在1200亿以上。后来在2012年，NASA又发布了哈勃极端深场，观测时间和底片的曝光次数继续增加，星系总数也由此增长到2000亿以上。2000亿这是一个非常恐怖的数字，假设平均每个星系至少包含1000亿颗恒星，那么整个可观测宇宙，至少就有2×1022颗恒星，这是一个什么概念？如果让地球上的70亿人啥也不干就是数星星，而且每人每秒能数一颗，那么要想全部数完，就要花上9万年。那么2000亿这个数字还能不能提高了？答案是必然的，因为就在2021年末，詹姆斯·韦布空间望远镜升空了。
哈勃超级深场
哈勃极端深场
2022年7月12日，韦布传回了一张照片，照片显示的是一个距离地球40多亿光年、编号为SMACS 0723的星系团，以及它周边的一小块区域，这就是韦布第一深场。这次拍摄虽然只进行了短短的12个半小时，但是对比哈勃望远镜对同一区域的拍摄，韦布望远镜确实是不知道高到哪里去了。原因就在于，哈勃望远镜是基于可见光的观测，而韦布望远镜则是基于红外光的观测，红外线具有更强的穿透能力，所以韦布望远镜就可以探测到更多的特别黯淡的星系。所以鉴于它强大的观测能力，2000亿这个纪录被打破，也只是时间问题了。有天文学家就预测，可观测宇宙中的星系数量，至少在1万亿以上。存在了138亿年，可观测区域横跨930亿光年，拥有上万亿个星系和数不清的恒星，这就是我们生活的宇宙。
