上一次，我们乘着想象的翅膀飞出了太阳系。现在，无尽的星空正扑面而来，让我们继续探险。
2012年，“旅行者”一号探测器越过了冥王星轨道，离开太阳系(图片来源/NASA)
首先来看看太阳系周围的邻居吧。在太阳系中，唯一的恒星是太阳，我们居住在它的第三颗行星上，距离太阳一个天文单位（1AU，或1.5亿公里）。于是我们自然要问：下一颗恒星在哪里呢？
望远镜观测到的半人马座α星(图片来源/NASA)
天文学家测量发现，距离我们最近的恒星，叫做半人马座α星（α读作“阿尔法”，是希腊字母表的第一个字母），中国古人叫它“南门二”。这颗星靠近南方的夜空，我们想要看到它，最好去到比较靠南的省份，比如广东或者海南。在早期，人们凭肉眼观测夜空，以为半人马座α星是一颗星。随着观测技术进步，天文学家发现，原来这颗夜空中第四亮的恒星居然是由相互靠近的三颗恒星组成的，其中，两颗比较大的恒星：半人马座α星A和半人马座α星B相互围绕对方旋转，形成一个“双星系统”。二者当中，前者比太阳略大，后者大小与太阳相当。第三颗小得多的恒星：半人马座比邻星，则在更远处以更大的轨道包围着那一对双星旋转。这是一个精妙的三合星系统，用物理学的话说，这是一个“三体问题”。我国科幻作家刘慈欣在其代表作《三体》中，设想在我们的这个邻居里居住着一个高度发达，历尽沧桑的外星文明。在一次次毁灭与重生后，这个文明开始向着宇宙进发，寻找新的家园。
半人马座三星的基本结构（图片来源/百度）
说到这里，我们不禁要问：这个邻居距离我们有多远？我们记得：冥王星距太阳40AU，或59亿公里。但是，在太阳系与半人马座α星的距离面前，40AU却是微不足道的。到了这个尺度，我们需要放弃天文单位AU，改用另一种距离单位“光年”来衡量：我们与半人马座α星相距4.3光年。那么，一光年有多远呢？
在生活中，我们常说北京到上海有1300多公里，但我们也可以说：北京到上海要坐2小时飞机。前者直接指明两个地点的空间距离，后者则通过时间来间接地指明空间。比较起来，后者似乎更麻烦一些。但某些时候，这种以时间换空间的方式也有好处。在这个例子中， 2小时这个“时间数字”要比1300公里这个“空间数字”简单很多，抄写和记忆更加方便。其次，对于常坐飞机，熟悉飞行速度的人来说，看到“2小时”就一目了然，看到“1300公里”则需要想一阵。尤其当人们去到一个陌生的国度，要估计一些不熟悉的距离时，往往更愿意听到“开车3小时到”这样的说法。
图片来源/百度
当然，以时间来间接衡量空间的方法要想用得好，需要满足两个条件：第一，交通工具的速度要足够快，例如飞机的飞行速度很快，这样才可以将大的空间数字（1300公里）化为小的时间数字（2小时），如果我们采用乌龟的爬行速度来衡量，那数字就会越化越大；第二，这个交通工具的速度要基本稳定，不能一天变一个样，大家对此速度也有共同的体验（例如开车，人们基本默认平均车速为70公里每小时）。否则，同样的空间数字，化为时间数字后也会不停改变，无法使用。
天文学家在试图衡量宇宙中非常大的距离（空间数字）时，恰好发现了一种极好的“交通工具”可以使用，那就是光。测量表明：光在真空中的传播速度非常快——每秒30万公里！事实上，物理学家认为，光速是宇宙中最快的速度了，没有任何物体可以追上光。此外，光速非常稳定，无论在房间里测量，还是在飞机上测量，光速都是一模一样：30万公里每秒。实际上，爱因斯坦的狭义相对论认为：光速在宇宙里所有地方都是这个数字，不会改变（我们暂不讨论介质光速等复杂情况），这个奇怪的结论叫做“光速不变原理”。
综上所述，这神奇的光，极好地满足了我们对于“交通工具”的需求，于是我们就用它来做这件“以时间换空间”的事情。按照刚才给出的光速，我们很容易可以算出来：光从地球到月亮只需一秒多一点；光穿过地球和太阳的距离：1.5亿公里（1AU），只需要8分钟多一点。我们每天看到的太阳光，就是在8分钟以前从太阳表面发出来，最终跑进我们眼睛里的，因此，站在地球上只能看到8分钟以前的太阳；如果站在冥王星上看日出，看到的是约5个半小时以前的太阳，这可是足足59亿公里，人类发射的探测器需要10年左右才能飞完这段距离。
新地平线号(New Horizons)—冥王星(Pluto)—卡戎(Charon)(图片来源/NASA)
可见，光速的威力巨大。我们之前提到，一个天文单位（1AU）看似很大，但与太阳系到半人马座α星的距离相比实在太小，我们需要选择一个以光速衡量的大距离来作为新的单位。天文学家一不做二不休，干脆定义一个单位叫做“光年”——从这个名字就能看出“以时间换空间”的意图。1光年的长度，等于光在一年当中所走的距离：一年有365天，一天24小时，一小时有3600秒，最后乘以光速30万公里每秒，其结果约为9.4万亿公里。半人马座α星与太阳系相距4.3光年，大约就是40万亿公里，以目前的人类最快的探测器速度，从地球出发，需要飞行7万5千年才能到达那里。那意味着，想要今天到达半人马座比邻星，我们需要在旧石器时代后期就出发。这，就是我们和邻居的距离。
现在，我们可以来估计一下太阳系的尺度在宇宙里是怎样的级别了。观测表明：恒星之间的平均距离普遍在5到6光年左右。为了方便，我们不妨粗略一些，取恒星平均间距为50万亿公里（5.3光年），太阳系半径为50亿公里。一眼可见：二者相差一万倍。所以，站在恒星之间的尺度看太阳系，只有万分之一那么小。如果沿用我们的比喻：将恒星的平均间距比作一条百米跑道，那么太阳系刚好相当于跑道尽头的一截大拇指。在这惊人的距离面前，太阳系里的种种复杂运动统统可以忽略不计了。
以上简单的估算表明：宇宙当中的恒星分布其实相当稀疏，在我们周围，除了半人马座α星，还有其他一些“近邻”的恒星，距离都在几光年到十几光年左右。最有名的一颗就是冬季夜空中的最亮恒星：天狼星，距离地球8.6光年，这“一颗”亮星，其实是两颗星组成的双星系统，它在恒星演化的研究中十分重要，我们将来还要再提到它。
图中左边的亮星就是天狼星(图片来源/ESO)
现在，让我们手握光年这把标尺，去丈量更远的地方吧。准备好，一系列真正的“天文数字”即将到来。
恒星不仅仅有单星，双星，三合星，还会出现更多恒星聚集成团的现象，叫做星团。许多农村生活过的人也许听过一个著名的“七姊妹星”，那其实是几百颗恒星聚集成的一个“疏散星团”，我们肉眼只能分辨其中最亮的七颗星。更有甚者，还会有几万颗，十几万颗恒星聚集成更加紧密的“球状星团”在宇宙中飘荡。我们肉眼可见的满天繁星，就包含了无数的恒星和星团，其实，这些恒星和星团并不是孤立存在着的，而是属于一个更加庞大的恒星帝国——银河系。银河系是一个典型的“星系”，样子好像一个巨大的圆盘，这个圆盘由2000亿颗恒星组成（太阳只是其中普通得不能再普通的一个成员）。这个圆盘的直径达到了10万光年，也就是说，宇宙里速度最快的光，穿越整个银河系需要10万年时间。
如果把宇宙比作身体，那么星系就是这身体的细胞。星系作为组成宇宙的最基本单元，其内部往往有着自成一体的运动方式：所有外围恒星都围绕星系中心旋转，好比一个放大了无数倍的太阳系一样。不仅如此，星系这个整体也可以作为中心，吸引着其他的小星系围绕自己旋转。银河系算是一个大星系，它拥有几个更小的“卫星星系”，比如著名的大小麦哲伦云等。
小麦哲伦云(红外光) (图片来源/NASA)
距我们最近的另一个大星系是仙女座星系，约250万光年——我们今天看到的是它250万年前的样子。当我们的祖先：非洲大陆上的古猿在摆弄石头时，它发出了这些光，穿越遥远距离后，光到达了地球，进入了太空望远镜里，被记录下来分析研究。通过这些光，我们看到了仙女座星系美丽的旋涡在绚烂地涌动——那是另一个庞大的帝国。
仙女座星系（图片来源/百度）
当我们站得更高更远，我们将会看到：银河系，仙女座星系等约50个大大小小的星系，组成了一个更加庞大的系统：本星系群。这个“群”的直径约为1000万光年。不过，到这里还没结束。本星系群之上还有一个更大的集团叫做室女座超星系团。这个“团”包括本星系群在内约1500个星系，其尺度达到了1亿光年的量级。
室女的眼睛(The eyes of the Virgin) (图片来源/ESO)
再往上走，室女座超星系团和长蛇座星系团，矩尺座星系团等共同构成一个更庞大的结构：拉尼亚凯亚超星系团，其中包含10万个星系，尺度延展达到5.2亿光年。目前为止，这就是人类所观测到的最大的成团结构。我们的宇宙似乎就是由这些超级星系团一个个地拼凑，搭建起来的，它们相互缠绕，相互作用，形成了密密麻麻的海绵状结构，天文学家称之为“空洞”和“细丝”：所谓的细丝，好比海绵中的丝线，实际上那是星系团形成的“星系长城”；所谓空洞，则是指星系团分布得比较稀疏，类似海绵孔洞的区域。
基于观测数据对宇宙大尺度结构（空洞与细丝）进行的计算机模拟结果（图片来源/百度）
那么，我们的这块“宇宙大海绵”有多大呢？结论是：如果把“可观测宇宙”视为一个球体的话，这个球体的半径约为450亿光年。当我们极力望向宇宙深处，我们只能看到这么远了（原因以后会详细交代），而天文学家相信，整个宇宙应该比这要大得多。
我们的旅行到了这里也就接近了尾声。以上所述，就是宇宙大戏得以上演的空间舞台。下一篇，我们来聊一聊宇宙的时间尺度究竟有多么久远。（文/马驹）
宇宙大爆炸和膨胀(The Big Bang and expansion of the universe) (图片来源/NASA)
2012年，“旅行者”一号探测器越过了冥王星轨道，离开太阳系(图片来源/NASA)
望远镜观测到的半人马座α星(图片来源/NASA)
半人马座三星的基本结构（图片来源/百度）
在生活中，我们常说北京到上海有1300多公里，但我们也可以说：北京到上海要坐2小时飞机。前者直接指明两个地点的空间距离，后者则通过时间来间接地指明空间。比较起来，后者似乎更麻烦一些。但某些时候，这种以时间换空间的方式也有好处。在这个例子中， 2小时这个“时间数字”要比1300公里这个“空间数字”简单很多，抄写和记忆更加方便。其次，对于常坐飞机，熟悉飞行速度的人来说，看到“2小时”就一目了然，看到“1300公里”则需要想一阵。尤其当人们去到一个陌生的国度，要估计一些不熟悉的距离时，往往更愿意听到“开车3小时到”这样的说法。
图片来源/百度
天文学家在试图衡量宇宙中非常大的距离（空间数字）时，恰好发现了一种极好的“交通工具”可以使用，那就是光。测量表明：光在真空中的传播速度非常快——每秒30万公里！事实上，物理学家认为，光速是宇宙中最快的速度了，没有任何物体可以追上光。此外，光速非常稳定，无论在房间里测量，还是在飞机上测量，光速都是一模一样：30万公里每秒。实际上，爱因斯坦的狭义相对论认为：光速在宇宙里所有地方都是这个数字，不会改变（我们暂不讨论介质光速等复杂情况），这个奇怪的结论叫做“光速不变原理”。
综上所述，这神奇的光，极好地满足了我们对于“交通工具”的需求，于是我们就用它来做这件“以时间换空间”的事情。按照刚才给出的光速，我们很容易可以算出来：光从地球到月亮只需一秒多一点；光穿过地球和太阳的距离：1.5亿公里（1AU），只需要8分钟多一点。我们每天看到的太阳光，就是在8分钟以前从太阳表面发出来，最终跑进我们眼睛里的，因此，站在地球上只能看到8分钟以前的太阳；如果站在冥王星上看日出，看到的是约5个半小时以前的太阳，这可是足足59亿公里，人类发射的探测器需要10年左右才能飞完这段距离。
新地平线号(New Horizons)—冥王星(Pluto)—卡戎(Charon)(图片来源/NASA)
现在，我们可以来估计一下太阳系的尺度在宇宙里是怎样的级别了。观测表明：恒星之间的平均距离普遍在5到6光年左右。为了方便，我们不妨粗略一些，取恒星平均间距为50万亿公里（5.3光年），太阳系半径为50亿公里。一眼可见：二者相差一万倍。所以，站在恒星之间的尺度看太阳系，只有万分之一那么小。如果沿用我们的比喻：将恒星的平均间距比作一条百米跑道，那么太阳系刚好相当于跑道尽头的一截大拇指。在这惊人的距离面前，太阳系里的种种复杂运动统统可以忽略不计了。
以上简单的估算表明：宇宙当中的恒星分布其实相当稀疏，在我们周围，除了半人马座α星，还有其他一些“近邻”的恒星，距离都在几光年到十几光年左右。最有名的一颗就是冬季夜空中的最亮恒星：天狼星，距离地球8.6光年，这“一颗”亮星，其实是两颗星组成的双星系统，它在恒星演化的研究中十分重要，我们将来还要再提到它。
图中左边的亮星就是天狼星(图片来源/ESO)
恒星不仅仅有单星，双星，三合星，还会出现更多恒星聚集成团的现象，叫做星团。许多农村生活过的人也许听过一个著名的“七姊妹星”，那其实是几百颗恒星聚集成的一个“疏散星团”，我们肉眼只能分辨其中最亮的七颗星。更有甚者，还会有几万颗，十几万颗恒星聚集成更加紧密的“球状星团”在宇宙中飘荡。我们肉眼可见的满天繁星，就包含了无数的恒星和星团，其实，这些恒星和星团并不是孤立存在着的，而是属于一个更加庞大的恒星帝国——银河系。银河系是一个典型的“星系”，样子好像一个巨大的圆盘，这个圆盘由2000亿颗恒星组成（太阳只是其中普通得不能再普通的一个成员）。这个圆盘的直径达到了10万光年，也就是说，宇宙里速度最快的光，穿越整个银河系需要10万年时间。
如果把宇宙比作身体，那么星系就是这身体的细胞。星系作为组成宇宙的最基本单元，其内部往往有着自成一体的运动方式：所有外围恒星都围绕星系中心旋转，好比一个放大了无数倍的太阳系一样。不仅如此，星系这个整体也可以作为中心，吸引着其他的小星系围绕自己旋转。银河系算是一个大星系，它拥有几个更小的“卫星星系”，比如著名的大小麦哲伦云等。
小麦哲伦云(红外光) (图片来源/NASA)
仙女座星系（图片来源/百度）
室女的眼睛(The eyes of the Virgin) (图片来源/ESO)
基于观测数据对宇宙大尺度结构（空洞与细丝）进行的计算机模拟结果（图片来源/百度）
我们的旅行到了这里也就接近了尾声。以上所述，就是宇宙大戏得以上演的空间舞台。下一篇，我们来聊一聊宇宙的时间尺度究竟有多么久远。（文/马驹）
宇宙大爆炸和膨胀(The Big Bang and expansion of the universe) (图片来源/NASA)