如果妳想更多地了解和探索宇宙，夢想和想象力並不是最關鍵的，我們需要科學的幫助。回歸科學的本質，宇宙的起源，跳出想象，我們總會有很多看似簡單實則最根本的問題。比如宇宙中有多少行星和星系，黑洞是否與暗物質的暗能量有關？宇宙之外是什麽，大爆炸之前是什麽，等等。這些問題看似簡單，回答起來卻非常復雜，其中有非常復雜的科學變量。壹切都不是絕對的，壹切都在變化。
人類科學仍處於初級階段。隨著我們對宇宙科學探索的深入，更多的問題會湧現出來，有時看似簡單的問題會更加難以回答。我們今天討論的是壹個看似簡單的問題，如何“權衡”不同的天體結構。天文學家總是談論系外行星有多大，那個星系中有多少個星系具有太陽的質量，等等。行星星系的大小超出了我們的想象。天文學家是怎麽知道或者計算出來的？計算恒星或其他天體的結構背後是有科學道理的。
在計算其他行星的質量之前，我們需要確定地球的質量。牛頓萬有引力定律告訴我們，兩個物體之間的引力是成正比的，引力與兩個物體之間質量的乘積成正比，也可以記為它們的質量除以它們質心之間距離的平方。為了得到壹個合理的近似值，我們可以假設它們的地理中心是它們的質心。
知道了地球的質量和半徑，以及地球到太陽的距離，就可以利用萬有引力定律重新計算太陽的質量。地球和太陽之間的引力是引力常數g乘以太陽的質量，除以地球和太陽之間距離的平方。有壹點需要註意，引力必須等於地球保持繞太陽運行軌道(近乎圓形)所需的向心力。向心力是地球的質量乘以它的速度再除以它離太陽距離的平方。通過天文測量到太陽的距離，我們可以計算出地球繞太陽的速度，從而計算出太陽的質量。
壹旦有了太陽的質量數據，就可以用天文方法確定其他行星的軌道半徑和周期，並計算出所需的向心力，這樣就可以確定任何壹顆行星的質量。換句話說，行星的質量是由其對其他天體的引力作用決定的。
為了計算其他行星的質量，我們必須以某種方式測量它對另壹個天體引力的強弱。如果這個星球有壹顆天然衛星，那就簡單多了。通過觀察衛星繞其主行星壹周的時間，我們可以通過牛頓方程推斷出行星的質量。對於沒有被發現或者根本沒有天然衛星的行星，我們需要采取其他措施。例如，水星和金星沒有衛星，但它們確實對彼此和太陽系中的其他行星施加微小的引力。天文學家可以利用這些微小的偏差來確定這些沒有天然衛星的行星的質量。
到目前為止，科學家們已經確認太陽系外有超過4000顆系外行星圍繞恒星運行。為了確定這些遙遠的行星是否適合居住，我們需要知道這顆系外行星的質量。知道這顆行星的質量非常重要，因為這些數據可以幫助天文學家推斷這顆行星是由氣體還是巖石構成的。除了行星的構成，系外行星的質量數據還可以幫助天文學家演示行星的表面和內部活動，如板塊構造、全球磁場等數據。
然而，目前估計系外行星質量的技術有限，徑向速度是科學家計算系外行星的主要方法。這種方法的原理是觀察恒星軌道的微小擺動。之所以會發生抖動，是因為受到了行星引力的拉動，由此科學家可以得出行星與恒星的質量比。對於海王星大小的行星或地球大小的小行星圍繞非常明亮的恒星運行，徑向速度的計算相對容易壹些。
去年，麻省理工學院的天文學家開發了壹項新技術，僅通過使用行星的透射光譜就可以確定系外行星的質量。這種透射測量光譜的原理是測量行星經過恒星時大氣的傾角。這些數據可以用來確定行星的大小和大氣屬性，並揭示其質量。
現在，天文學家可以使用太空望遠鏡和大型地面望遠鏡來分析系外行星的透射光譜。當壹顆行星從它的恒星面前經過，壹些光線穿過行星的大氣層，就會產生透射光譜。通過分析光的波長，科學家可以確定行星的大氣特征，如其溫度和大氣分子的密度。行星的大小可以從被阻擋的光線總量中計算出來。
為了測試這種方法，麻省理工學院的天文學家利用這種技術測量了壹顆編號為HD189733b的系外行星，它位於63光年之外。天文學家根據透射譜的質量數據，得到了與徑向速度法相同的質量結果。未來，高分辨率空間望遠鏡的規格將不斷升級，如詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，其紅外科學儀器是觀測系外行星大氣的利器。這項新技術未來將被更多的太空望遠鏡所適配，天文學家對系外行星的質量數據將更加準確。
宇宙中有多少顆行星？具體數值誰也推斷不出來。有個形象的比喻，宇宙中的行星比地球上的沙子還多。雖然我們不知道宇宙中的行星數量，但科學家推測銀河系中的行星數量約為2000億至4000億顆。這麽多行星組成的星系質量有多大？這對天文學家來說是個難題。天文學家使用來自美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡和歐洲航天局蓋亞衛星的新數據重新計算了銀河系的質量。結果是我們的星系重約1.54萬億太陽質量。
為什麽是1.54萬億太陽質量？首先，我們需要看看這個值的組成部分。首先是星系中2000億到4000億顆行星的質量占了壹部分，其次是星系中心質量為400萬個太陽的黑洞。這兩部分是銀河系質量的壹小部分，剩下的只是天文學家對暗物質和暗能量的估計，以及銀河系附近的暈結構。
太空望遠鏡直接觀測到的物質可以更好地預測質量。未來，隨著許多廣域空間望遠鏡任務的開展，銀河系的行星數量將越來越精確，但暗物質和暗能量壹直是天文學家頭疼的問題。暗物質是什麽？我們真的不知道，天文學家只能假設可能是壹堆堆無法探測到的奇怪理論粒子。暗物質和暗能量不僅在所有宇宙星系的質量中占了非常高的比例，也占了哈勃體積的96%左右。
知道我們星系的質量在天文學中非常重要。在不知道銀河系質量的情況下，很難計算它如何與附近的星系相互作用，例如仙女座星系。了解銀河系的質量也有助於我們更好地理解它是如何演化的，以及其他星系是如何形成的。未來，天文學家希望更精確地知道銀河系的質量，以便將其置於宇宙學理論的背景下，與早期宇宙中星系的模擬數據進行比較。銀河系的精確質量是許多宇宙學問題的關鍵部分。
現在天文學家已經掌握了利用自轉速度估算遙遠星系質量的技術，但是測量銀河系的質量要困難得多，因為我們在銀河系內部，無法了解它的整體情況。比如妳想知道妳的房子有多大，但是妳不能離開妳的衣櫃。妳只能在衣櫃裏推斷整個，特別大的房子的面積，這是極其困難的。
另外，僅僅通過觀測壹個星系是不可能“稱”出它的重量的，更何況觀測者恰好在它的內部，但是星系越大，質量越高，在引力的作用下，它內部的星系團運動越快。所以從今年6月5438+10月開始，天文學家準備觀測157球狀星團，或者說非常致密的星團，圍繞銀河系中心運行，來計算銀河系的速度。
天文學家已經觀測到了34個遙遠的星團，並將在22個月內使用歐洲航天局的Gaia天體測量衛星來估計這些星團的質量。其中大部分距離地球6500到70000光年。天文學家還研究了哈勃望遠鏡觀測到的另外12星團，距離我們大約13萬光年。隨著觀測結果的不斷更新，這些星系團的運動給了天文學家足夠的數據來估計整個星系的旋轉速度，他們可以利用這些數據來計算星系的質量。
行星組成了星系，星系和超大型結構，所有這些結構，包括宇宙空洞，組成了宇宙。天文學家也可以有壹個關於星系質量的區間值和壹個內參，但從科學的角度來看，我們無法知道宇宙的質量。因為不僅要計算所有行星和星系的質量，還要計算星際空間中暗物質、暗能量、塵埃雲甚至中性氫的質量。壹個多世紀以來，天文學家壹直在尋找宇宙質量的值，現在他們仍在尋找更精確的方法。
測量宇宙的質量是了解其歷史和演化的重要參數。暗能量推動宇宙膨脹的同時，重子可見物質會試圖阻止宇宙膨脹。這種反作用力共同構成了宇宙中物質和能量的平均密度，稱為宇宙密度參數。這個參數對於宇宙學標準模型非常重要，測量這個參數的壹個方法就是看宇宙微波背景CMB。大爆炸產生的輝光的溫度變化非常小，這些變化可以告訴我們宇宙膨脹的速度，進而會讓我們知道宇宙物質的密度，進而推斷出哈勃體積的質量。
另壹種衡量宇宙質量的方法是觀察遙遠星系的光線是如何被星系偏轉的，也就是引力透鏡效應，這是壹種粗略的估算方法。天文學家在觀測引力透鏡時會先對單個星系進行比較，然後天文學家再進行統計比較。因為我們知道宇宙中大部分星系的形狀，所以可以和我們看到的透鏡形狀進行比較，來統計星系和地球之間存在多少透鏡效應。這是壹個被天文學家稱為“千度巡天”的計劃。
透鏡效應可以測量我們和遙遠星系之間的質量，但不能提供宇宙密度的數值。出於這個原因，天文學家需要知道星系有多遠。因此，天文學家也通過測量它們在幾個波長的紅移來確定與銀河系的距離。因此，宇宙密度參數與從CMB計算的略有不同。這是因為在標準模型中，假設宇宙中暗能量的數量是恒定的，但是根據最新的數據而不是標準模型，暗能量會隨著時間而變化。
壹些復雜的問題背後，會有簡單的問題與之對應。通過了解星系的質量，可以知道銀河系乃至整個宇宙中可觀測星系的演化。通過觀察早期宇宙中的星系，估算質量，可以知道早期宇宙中的物質狀態和能量狀態。知道了宇宙的質量，將徹底豐富宇宙的模型，對宇宙演化理論和宇宙未來走向的預測產生極其重要的影響。
科學離不開計算，科學的進步離不開想象思維。面對壹些看似簡單的科學問題，我們也要深入思考。科學是從簡單到復雜的，我們應該這樣思考。