宇宙中有多少星系？

星系是宇宙中大量恒星的集合。但是有多少个星系呢?计算它们似乎是一项不可能完成的任务。计算数量是一个问题——一旦计数达到数十亿，就需要一段时间来做加法。另一个问题是我们仪器的局限性。为了获得最佳视野，望远镜需要有一个大孔径(主镜或透镜的直径)，并位于大气上方，以避免地球空气的扭曲。

也许最能引起共鸣的例子是哈勃极深场(XDF)，这是一张由哈勃太空望远镜10年来拍摄的照片组合而成的图像。据美国宇航局称，该望远镜在50天的时间里反复观测了一小片天空。如果你把拇指伸出一臂的距离来遮住月亮，XDF的面积大约是大头针的大小。通过在数小时的观测中收集微弱的光线，XDF揭示了数千个星系，包括附近和非常遥远的星系，使其成为当时拍摄到的最深的宇宙图像。因此，如果一个小点包含数千个星系，想象一下在其他点可以发现多少个星系。

马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天体物理学家Mario Livio说，虽然不同专家的估计不同，但可以接受的范围在1000亿到2000亿个星系之间。据《天体物理学杂志》报道，詹姆斯·韦伯太空望远镜有望揭示更多关于宇宙早期星系的信息。

根据Livio的说法，哈勃太空望远镜在星系计数和估计方面取得了成功。该望远镜于1990年发射升空，最初主镜有一个变形，在1993年的一次航天飞机访问中得到了纠正。

1995年，天文学家将望远镜对准大熊座上一片看似空旷的区域，并收集了10天的观测数据。根据韦伯州立大学的说法，结果是在一个框架中估计有3000个暗淡的星系，暗至30等。(相比之下，北极星大约是2等。)这张合成图像被称为哈勃深空，是当时人们看到的最远的宇宙。

随着哈勃望远镜的仪器得到升级，天文学家重复了两次实验。在2003年和2004年，科学家们创建了哈勃超深场，在一百万秒的曝光中，在天炉座的一个小点上发现了大约10,000个星系。

2012年，科学家们再次使用升级后的仪器，用望远镜观察了超深场的一部分。即使在这个狭窄的视野中，天文学家也能探测到大约5500个星系。研究人员将其称为“极深场”。

总而言之，哈勃望远镜在宇宙中发现了大约1000亿个星系，但随着太空望远镜技术的进步，这个数字可能会增加到大约2000亿个。

无论使用何种仪器，估计星系数量的方法都是一样的。你用望远镜拍摄的那部分天空。然后，利用天空与整个宇宙的比例，你就可以确定宇宙中星系的数量。  Livio说:“这是假设宇宙没有大的变化，宇宙是均匀的。”“我们有充分的理由怀疑情况确实如此。这就是宇宙学原理。”  这个原理可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦说引力是空间和时间的扭曲。有了这样的认识，一些科学家(包括爱因斯坦)试图了解引力是如何影响整个宇宙的。  美国国家航空航天局表示:“最简单的假设是，如果你用足够差的视力观察宇宙的内容，它在任何地方和任何方向都大致相同。”也就是说，当在非常大的尺度上平均时，宇宙中的物质是均匀和各向同性的。这被称为宇宙学原理。”  宇宙学原理的一个例子是宇宙微波背景辐射(CMB)，它是大爆炸后宇宙早期阶段的残余辐射。通过使用NASA的威尔金森微波各向异性探测器等仪器，天文学家发现，无论从哪个角度看，宇宙微波背景实际上都是一样的。

对宇宙膨胀的测量——通过观察离我们而去的星系——表明它大约有138.2亿年的历史。然而，随着宇宙变老变大，星系将离地球越来越远。这将使它们更难以用望远镜观测到。

宇宙膨胀的速度比光速还快(这并不违反爱因斯坦的速度限制，因为膨胀是宇宙本身的，而不是宇宙中物体的)。同时，宇宙也在加速膨胀。

这就是“可观测宇宙”的概念——我们可以看到的宇宙——发挥作用的地方。Livio说，在1万亿到2万亿年内，这意味着将会有我们从地球上看不到的星系。

Livio说:“我们只能看到那些有足够时间到达我们的星系发出的光。”“这并不意味着这就是宇宙中的全部。这就是可观测宇宙的定义。”

星系也会随着时间而变化。银河系正在与附近的仙女座星系发生碰撞，两者将在大约40亿年后合并。稍后，本星系群中的其他星系——离我们最近的星系——最终会合并。

“文明开始时，他们没有证据表明存在一个拥有1000亿个星系的宇宙，”他说。“他们不会看到扩张。他们可能无法分辨出大爆炸的存在。”

随着早期宇宙的膨胀，有一些理论认为，不同的“口袋”分离出来，形成了不同的宇宙。这些不同的地方可能以不同的速度膨胀，包括其他类型的物质，并且与我们自己的宇宙有不同的物理定律。

Livio指出，在其他宇宙中可能存在星系——如果它们存在的话——但我们现在还没有办法确定。因此，考虑到其他宇宙，星系的数量甚至可能超过2000亿个。

Livio说，在我们自己的宇宙中，随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，天文学家将能够更好地精确计算这个数字。哈勃望远镜能够回溯到宇宙大爆炸后大约4.5亿年后形成的星系。利用詹姆斯·韦伯望远镜，天文学家预计他们可以回溯到大爆炸后的2亿年。

Livio补充说:“这些数字不会有太大的变化。”他指出，第一个星系可能在那之前不久就形成了。“所以像2000亿个星系这样的数字可能是我们可观测宇宙的数字。”

虽然计算宇宙中星系的数量很有趣，但天文学家更感兴趣的是星系如何揭示宇宙是如何形成的。根据美国宇航局的说法，星系代表了宇宙中物质的组织方式。因为韦伯可以回溯到宇宙的早期，它的信息将帮助科学家更好地理解今天我们周围星系的结构。

“通过研究一些最早的星系，并将它们与今天的星系进行比较，我们可能能够了解它们的生长和演化。韦伯还将允许科学家收集这些非常早期星系中存在的恒星类型的数据，”美国宇航局说韦伯的任务。

“通过对成百上千个星系的光谱分析进行后续观察，将有助于研究人员了解在星系形成过程中，比氢重的元素是如何形成和积累的。这些研究还将揭示合并星系的细节，并阐明星系形成本身的过程。”

根据美国宇航局的说法，以下是韦伯将回答的一些关于星系的关键问题:

1. 星系是如何形成的?

2. 是什么塑造了它们的形状?

3. 化学元素在星系中是如何分布的?

4. 星系中心的黑洞如何影响它们的宿主星系?

5. 当大小星系碰撞或结合时会发生什么?

科学家们还对暗物质在星系聚集过程中所起的作用感兴趣。虽然宇宙的一部分以星系或恒星等形式可见，但暗物质构成了宇宙的大部分——约占宇宙的80%。虽然暗物质在光的波长或能量的发射中是看不见的，但对20世纪50年代的星系的研究表明，它们中存在的质量远远超过肉眼可见的质量。

美国国家航空航天局说:“科学家为了解星系形成而建立的计算机模型表明，当暗物质合并并聚集在一起时，星系就产生了。”

“暗物质可以被认为是宇宙的脚手架。我们看到的可见物质以恒星和星系的形式聚集在这个脚手架内。暗物质‘聚集’在一起的方式是，小物体首先形成，然后被拉到一起形成更大的物体。”

韦伯望远镜强大的反射镜将使科学家能够近距离观察星系的形成，包括暗物质的作用。虽然这项研究并不能直接回答宇宙中有多少个星系，但它确实有助于科学家更好地理解我们所看到的星系背后的过程，从而更好地为星系人口模型提供信息。