从2万亿到500万亿，全宇宙范围内，究竟有多少个星系？

从1000亿到2000亿，再到2万亿，甚至跳到500万亿，这些数字之间的差距为何如此悬殊？在浩瀚无垠的宇宙里，星系的真实数量究竟是多少？ 宇宙中究竟有多少个星系？在网络上搜索这个问题，会得到各种不同的答案：有说1000亿的，有说2000亿的，也有说2万亿的。到底哪个数字更接近真实情况呢？ 要弄清楚宇宙里的星系数量，一个个去数显然不现实。最简单也最直接的方法，就是通过随机抽样来估算。 具体做法是先对天空中某片区域拍一张照片，数一数照片里有多少个星系，然后再根据这块天区占整个天球的比例，计算出星系的总数。这确实是一个可行的办法，而天文学家也正是这么做的。 事实上，2003年前后，天文学家就把地球所看到的整个天区精细地分割成了1270万块小区域。这样一来，只需要观测其中一块中的星系数量，再乘以1270万，理论上就能推算出整个宇宙的星系总量。 之所以敢这么做，是因为我们的宇宙具有各向同性的特征，从地球向任何一个方向观测，星系在大尺度上都呈现出均匀分布的状态，这为随机抽样奠定了理论基础。 1995年，哈勃望远镜曾对北半球天空中的一小块区域进行了长时间曝光的深度观测。那是一块面积不到满月百分之一的狭小区域，起初看起来空无一物，人们自然也没有抱太大希望。 然而当照片出来后，大家全都傻了眼——之前空空如也的地方，竟然布满了密密麻麻的各种天体。这张照片便是著名的哈勃深空场，也叫哈勃深空。 经过统计，照片中的星系多达3000个。据此初步估算，宇宙中的星系大约在800亿个左右。 三年后，哈勃又在南天区拍了一张类似的照片，由于这次曝光时间更长，这张哈勃南天深空呈现出了更多的信息，估算出的星系数量增加到了1250亿。 看来只要增加曝光时间，拍出更多星系应该不是问题。于是在2003至2004年间，哈勃先后花了70多天，累计曝光280个小时，最终生成了一张包含近万个星系的哈勃超深空。 这张照片预示着，宇宙中的星系总数可能超过了2000亿个。此后虽然不同模型得出的星系总数不尽相同，但结果都相差无几。 这也是宇宙星系总数在1000至2000亿这个说法的来源。 但是不难意识到，这样得出的星系总数显然并不准确。不管把曝光时间加到多长，总有一些星系因为太远、太小而看不到。再加上宇宙本身也在膨胀，遥远星系发出的光会产生严重的红移，以至于很多星系别说哈勃，就是韦伯上了也无能为力。 然而这还不是最关键的。通过照片数星系的方式存在一个大漏洞：拍摄的照片并不能代表此刻的宇宙。 由于光速的限制，星系发出的光到达地球是需要时间的，距离越远，花费的时间越长。这就相当于星系拍了张自拍，然后寄给我们，等我们收到照片，已经是很久很久以后的事了。 这就会导致一个现象：近处的星系通常看起来会比较老，因为照片拍的就是它们现在的样子；但远处的星系看起来就相对年轻，因为那些照片是在很久很久以前，它们还很年轻的时候拍的，有些甚至是刚出生不久的满月照。 这个现象意味着，在那之后的几十上百亿年里，一些星系已经相互融合成了更大的星系，星系数量会减少；但与此同时，新的星系也在不断形成，星系数量又会增加。也就是说，我们没办法获知此时此刻的宇宙到底有多少个星系。 对于我们来说，这似乎是一个无解的问题。但科学家可不会轻易放弃，毕竟这可是一帮连宇宙多大岁数都能推算出来的人。 2016年，一篇发表于天体物理学期刊上的文章中，研究人员通过研究星系密度如何随宇宙演化而变化，从而推测出宇宙中可能的星系总数。 研究人员基于大量观测数据建立了星系质量函数，在排除了宇宙膨胀影响后，计算出位于不同红移区间——也就是不同距离上的星系密度。这样一来，我们就对宇宙中星系数量的变化规律有了大致了解。 其中影响星系数量的因素主要有两个：一个是红移，一个是星系质量。红移很好理解，不同红移代表宇宙的不同时期，每个时期的星系数量肯定不一样。 经过计算发现，星系数量其实与红移的关系并不是特别大——研究人员把红移极限值设定在12时，结果只比红移极限为8时的星系总数多出了65%。而星系质量则代表着什么样的天体才可以被算作一个星系，太小的话可能就和星团没什么区别了。 因此研究人员将星系质量的下限设定为100万倍太阳质量，这也是一些小型矮椭球星系的通常质量下限。 计算结果显示，在宇宙诞生之初，星系密度经历了一个迅速下降的阶段，在大约30亿年后才趋于恒定。这个结果出乎意料。 要知道，早期宇宙充满了原始气体，此时正是大批恒星集中诞生的时候，新恒星不断涌现所带来的结果，肯定应该是星系数量不断上涨才对。但为何计算结果恰恰相反呢？ 一个合理的猜测是，在那段时期星系之间的合并异常频繁——虽然当时有很多新诞生的星系，但它们普遍还很小，加上此时的宇宙还没膨胀开来，仍然十分拥挤，星系之间很容易发生碰撞并相互融合。 如果把星系质量的下限提高一万倍，限定在100亿倍太阳质量左右