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宏觀宇宙的尺度

目前我們人類所能觀測到的宇宙到底有多大?是個甚麼樣子?短時間要有個簡單而清楚的概念,頗不容易...

如需先建立整體概念,請參考這部精彩影片 Cosmic Voyage (可視需要開啟自動產生的英文字幕;本片還包含微觀的世界):

 

另請參考早期相關影片 Powers of Ten (這是 1977 年英文版本的中文發音版,當年的可觀測宇宙尺存只到 1024 公尺 的範圍):

https://youtu.be/KCrLW209ySY

以下這是部精彩的長片 Journey to the Edge of the Universe (HD) (片長 1 小時 30 分,有英文字幕):

https://youtu.be/6s6POy6RgVM

 


以下從 100~1026 公尺 的範圍,逐次說明並附加圖片對照:

文字部分參照 《一本就通:宇宙史》閱讀心得與摘要(上篇) 內容
圖片參照 The Scale of the Cosmos 等內容

從1公尺到10公尺(100~101公尺)(範圍A

※  多數人的身高在1.5公尺至1.9公尺之間。

※  我們日常生活接觸的物體,尺寸大半介於1公尺到10公尺之間

※  現存最大的陸地動物,幾乎全都介於這個尺寸區間。。

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從10公尺到100公尺(101~102公尺)(範圍B

※  現存最長的陸地動物是蟒蛇。最長的一件樣本測得長度10.91公尺。藍鯨可以長到30公尺長。最長的陸地動物是俗名靴帶蟲(bootlace worm)的巨縱溝紐蟲(Lineus longissimus)。蘇格蘭聖安德魯斯(St. Andrews)海岸找到的一件樣本長約55公尺。

※  不久之前,雷克斯暴龍(Tyrannosaurus rex)還號稱最大型的肉食型恐龍。迄今已發掘的雷克斯暴龍標本當中,最大的一件叫做蘇(比較正式的名稱是FMNH PR2081)。蘇的身長12.8公尺。然而,據稱棘龍(屬名:Spinosaurus)的體型舉世無匹,體長可以長到16公尺和18公尺之間。

※  有一種恐龍名叫布氏腕龍(Brachiosaurus brancai),或稱為長頸巨龍(屬名:Giraffatitan),骨骼身高12公尺,總長22.5公尺。整個恐龍類群當中最長、最大的一種,相信就是易碎雙腔龍(Amphicoelias fragillimus)了,長58公尺,不過這個尺寸只是根據不完整骨骼推測的。

※  納爾遜紀念柱高度約51.8公尺(含高5.5公尺的納爾遜像)。

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從100公尺到1,000公尺(102~103公尺)(範圍C

※  有一棵喬木號稱歷來發現的最高樹木,那是棵紅杉,高112.51公尺,發現於2006年。攀緣植物省藤(屬名:Daemonorops)的某些植株長可達兩百餘公尺。

※  埃及吉薩大金字塔在西元前2570年左右落成,高146公尺,成為當時世界最高建物,這個頭銜直到1311年,高160公尺的林肯主教座堂完工方才撤銷。1889年艾菲爾鐵塔完工,鐵塔計至頂層高300.65公尺,把旗杆納入則達312.27公尺。

※  帝國大廈在1931年完工,遙遙領先位居榜首,樓高381公尺。

※  當今世界最高的建物是杜拜的杜拜塔,在2009年完工時樓高約830公尺。

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從1公里到10公里(103~104公尺)(範圍D

※  當你環顧平原或眺望大海,再假定你並不是高得離譜,那麼地平線的絕對最遠距離,就可以達到5公里左右。若眼前有一片遠山景色,那麼我們能夠看見的距離,顯然還會遠上許多。最高的山峰是珠穆朗瑪峰達8.848公里。

※  最深的礦坑位於南非一處金礦,那處礦區稱為陶托那(TauTona)深3.6公里。

※  海洋底下的地殼厚度介於5-7公里之間

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從10公里到100公里(104~105公尺)(範圍E

※  太平洋最深地點位於海平面下11.034公里,這樣一來,最深海洋的深度便超過最高山峰的高度。

※  1970年5月24日,挖地計畫在俄羅斯鄰近挪威國境的科拉半島(Kola Peninsula)展開。鑿出的幾個鑽孔當中,最深的一個在1989年鑿成。開鑿作業在1992年中止,因為那時情況已經明朗,地底下的溫度高達攝氏300度,鑽頭無可避免都要熔化。這幾個鑽孔當中,最深的一個達到12.262公里,這也是人類鑿出的空前最深鑽孔

※  各大洲底下的地殼厚度平均為34公里,有些部分還可達80、90公里厚

※  最高的雲(稱為夜光雲)呈銀藍色,通常到夏季月份才在兩極上空形成,距離地面約80公里

※  在美國,曾經飛航離地超過80.5公里的人都稱為太空人

※  地球的大氣並沒有邊界。大氣只會達到無限稀薄的程度。不過,大氣的四分之三質量都涵納在離地11公里以內範圍。實務上我們以卡門線(Karman line)來界定大氣的邊緣,這個名稱得自匈牙利裔美籍工程師西奧多‧馮‧卡門(Theodore von Karman, 1881-1963),因為他發現,約達100公里高度就很難產生空氣動力學升力

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從100到1,000公里(105~106公尺)(範圍F

國際太空站(International Space Station,縮寫為ISS),是屬於美國國家航空暨太空總署(NASA)的一個在近地軌道上運行的科研設施,軌道高度約為360公里 

※ 在500公里高空繞地運行的軍事衛星,能夠分辨出20公分長的地面物體。 

哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,簡稱為HST,為直徑2.4公尺的反射式望遠鏡)在1990年發射升空,軌道高度為600公里。運作初期出了個問題,由於主鏡研磨作業出錯,連帶影響望遠鏡的功能。1993年執行了一項出色的修復作業,回復那台望遠鏡的預期功能。根據這台望遠鏡蒐集的資訊,我們這座星系(銀河系)所含恆星數量估計值,在一夜之間增長了一倍。 

※ 另外史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope,縮寫為SST,長度約4公尺,主鏡口徑為85公分),是美國國家航空暨太空總署2003年發射的一顆紅外天文衛星,是大型軌道天文台計劃的最後一台太空望遠鏡,軌道高度為568公里 

※  目前在距離地表160-2,000公里的軌道繞地運行的人造衛星總計為417顆,換言之,這些衛星都是一腳站在本數量級,同時跨足下一個數量級。在這些軌道運行的衛星統稱「低地軌道衛星」(LEOs , Low Earth Orbit satellites,亦稱近地軌道衛星)。目前仍在太空中持續組裝的國際太空站就是個低地軌道衛星。該衛星的運行高度距地介於319.6-346.9公里之間,每天繞行15.77周。這顆衛星從地表肉眼可見。

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從1,000到10,000公里(106~107公尺)(範圍G

※  目前有47顆人造衛星在距離地表2,000~35,800公里高處繞地運行,這些衛星統稱「中地球軌道衛星」(MEOs, Medium Earth Orbit satellites)

※  中國的萬裡長城約綿延4,000公里。地球從表面到地心距離6,370公里。地球最長的河川是尼羅河,流經6,695公里的距離。

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從1萬到10萬公里(107~108公尺)(範圍H

※  住在地球上有個必然的結果,那就是我們離家永遠不會超過1萬9,000公里(也就是地球周長的一半)。

※  所謂的「 藍色彈珠 」(The Blue Marble)地球照片是在4萬5,000公里高處拍攝的 。(那張照片是由阿波羅17號在1972年所攝)

※  目前距離的表3萬5,786公里或更高軌道運行的人造衛星總計有351顆。這類衛星統稱「高地球軌道衛星」(HEOs, High Earth Orbit satellites)

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從10萬到100萬公里(108~109公尺)(範圍I

※  維拉1號A星(Vela 1A)就是顆高地球軌道衛星,它的軌道高度超過10萬公里。

※  月球是地球的天然衛星,平均位於38萬4,399公里之外

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從100萬到1,000萬公里(109~1010公尺)(範圍J

※  太空在這個區域很難找到有相當尺寸的任何固體,唯一的例外就是零星的隕石,或是從旁掠過的罕見小行星。不過,太空絕對不是空的,輻射和原子遍布各處。

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從1,000萬到1億公里(1010~1011公尺)(範圍K

※  過了月球接著就要遇上金星,那就是我們這趟遠距離的遠行,下一個與地球有相當尺寸的最近天體。金星是夜空中的第二亮的天體,和地球的最近距離為4,000萬公里

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從1億到10億公里(1011~1012公尺)(範圍L

※  太陽和地球的距離平均為1.5億公里這段距離稱為「天文單位(AU, Astronomical Unit)

※  平均而言,金星和地球的距離略超過一億公里火星水星也同樣在這個地帶和這一區之間掃掠,實際需要看他們相對於地球是位於太陽的哪一側而定。

※  就大體而言,太陽並不是非常緻密(平均密度為水的一半),這就表示把它的大質量納入考量,太陽的體積依然是非常大(直徑約140萬公里)。

※  依質量和運動來判斷,我們看出水星在最靠近太陽的軌道運行,接這是金星,第三顆岩塊就是地球,再來就是外側的火星。這些星體統稱「類地行星」。

※  小行星帶是一片遍布岩質天體的區帶,裡面都是當初類地行星形成時期殘留的剩餘物。小行星帶把兩類行星隔開,一邊是具有可見表面的行星,另一側則是氣體行星,他涵括的範圍延伸很廣,從距離太陽約2.7億到相隔6.75億公里(或相當於從1.8到4.5個天文單位)。小行星大小不等,從一粒塵埃那般大小到直徑950公里的小行星穀神星那般尺寸。除此之外還有三顆約寬400公里的岩塊。這四個天體加總起來,占了小行星帶內的大半質量。

※  我們最先抵達的氣體行星也是最大的一顆木星的質量比其他所有行星質量總和的兩倍更大。木星和太陽的距離,平均略超過7.78億公里(或約等於五個天文單位)。木星在我們看來是夜空中第三亮的星體,僅次於月球和金星

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從10億到100億公里(1012~1013公尺)(範圍M

※  土星是從太陽向外第六遠的行星,也是僅次於木星的第二大行星。土星距離太陽平均約略超過14億公里。若從地球測起,木星的平均距離略短於13億公里。

※  天王星的距離排名第七。依尺寸它第三大行星,依質量則排行第四

※  海王星是從太陽向外第八顆行星,依尺寸排名第四大,依質量則排行第三。海王星平均約距日45億公里

※  天王星和海王星的特點在於含冰的比例超過其他氣體行星,也因此他們就稱為冰巨星(ice giant)。

※  太陽系內凡是位於海王星軌道以外的物體,全都稱為「海王星外天體」,簡稱「海外天體」。

※  冥王星一度經認定為太陽系內最小的行星,如今則規劃矮行星類別。從2008年6月11日起,冥王星、鬩神星和其他海外天體便統稱為類冥矮行星(又稱「類冥天體」)。海王星外側至少還另有41顆天體,其中許多最後都可能歸入那個等級。

※  許多海外天體都分布在一處號稱「古柏帶」(Kuiper belt)的區域,範圍從海王星軌道起向外延伸至約75億公里(或50個天文單位)遠處。古柏帶是眾多太陽系小天體的棲身處所,其中大小超過100公里的計約35,000顆。

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從100億到1,000億公里(1013~1014公尺)(範圍N

※  過了古柏帶,我們進入沒有大型物質實體的另一片區域。在冥王星三倍距離遠處有一顆細小的賽德娜小行星(Sedna),大小約相當於冥王星的三分之二。賽德娜位於135億公里遠處,也是目前觀測到的太陽系最遠天體

※  太陽風吹走星際氣體(宇宙生命早期殘留下來的氫和氦),製造出一個半徑比賽德娜的軌道距離更長的巨大空泡這個空泡有時候就用來定義太陽系的邊緣。外緣的風勢不夠強勁,吹不走星際氣體,那片區域波濤激盪,成為太陽層頂(heliopause)。人類射上宇宙的物體當中,航行最遠、速度最高的一件,目前正逐漸接近這片區域。重722公斤的太空探測器「航海家一號」(Voyager 1),從2004年開始脫離太陽系。他的位置在144億公里遠處,比賽德娜稍遠一些

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從1,000億到1兆公里(1014~1015公尺)(範圍O

※  我們再往前通過另一片星域,那裡看來並沒有大型天體;或者說,就算並非虛空一片,無論那裡可能有哪些大型物體,目前都依然看不到。

※  跡象顯示,賽德娜的高偏心率軌道,或能證明太陽擁有一顆黯淡的伴星,可是到目前我們還不曾見到這顆太陽的伴星。(這顆伴星在Billy Meier的544-3次接觸報告中有詳細說明)

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從1兆到10兆公里(1015~1016公尺)(範圍P

※  到了太陽系最偏遠地帶,相當於地球到太陽的5萬倍距離之外,或者從最遙遠行星群再向外走一千倍的距離,到了太陽重力威力的作用極限地帶,就是一片奧爾特雲(又稱:歐特雲)。沒有證據顯示奧爾特雲是否存在,不過荷蘭天文學家簡 奧爾特(Jan Oort)在1950年便已察覺,似乎沒有彗星是發源自恆星空間,也就是說,沒有彗星的軌道超出太陽的重力範圍。

※  一般認為,奧爾特雲就是所有長週期軌道彗星的老家,這其中若干軌道有可能要花好幾百萬年才能造型一周。奧爾特雲中的彗星數量可能多達10億,甚至可達一兆顆。

※  就像古柏帶天體,組成奧爾特雲的天體,也是從太陽系形成開始到現在都保持不變。

※  太陽系中的最遙遠物體,就位於將近一光年遠處1016公尺很接近光在一年時間內進行的距離;也就是1光年約等於10兆公里)。

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從1光年到10光年或10兆到100兆公里(1016~1017公尺)(範圍Q

※  接下來我們會遇上的大型星體,就是最靠近我們的相鄰恆星,半人馬座比鄰星(Proxima Centauri,或稱為半人馬座α星C),位於略超過4光年之外。比鄰星和數質量不及太陽一半的黯淡恆星,同樣都歸入一個叫作「紅矮星」(red dwarf)的恆星類群。

※  再稍遠一些,到了4.37光年處有半人馬座的α星A和α星B,兩顆合起來從地球肉眼可見。

※  再下來的最近恆星有巴納德星(Barnard’s star)位於5.96光年之外沃夫359(Wolf 359)位於7.78光年之外拉藍德21185(Lalande 21185)位於8.29光年之外天狼星(Sirius)A星和B星位於8.58光年之外盧坦726-8(Luyten 726-8)A星和B星,位於8.78光年之外,還有羅斯154(Ross 154),位於9.64光年之外

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從10光年到100光年(1017~1018公尺)(範圍R

※  下一批最接近的恆星系統,以光年測量分別得出下列讀數:10.32,10.52,10.74,10.92,11.27,11.40等。

※  從太陽朝四面八方延伸16.31光年便構成一片圓球空間,延伸32.6光年的球狀空間,含有2,029個系統。

※  位於36.7光年之外的牧夫座大角星(Arcturus)是顆紅巨星。儘管他的質量不到太陽的一倍半,輸出功率卻達太陽的180倍,因此在我們看來,它也成為夜空裡的三亮的恆星。

※  飛馬座51(51 Pegasi)是顆位於50.1光年左右之外的恆星。這顆星值得在人類歷史上記上一筆,它是除了我們的太陽系之外,第一個被人類當成太陽系看待的星體。飛馬座51是顆類日恆星,至少有一顆行星繞著他運行。自從那顆行星在1995年發現以來,至今已經又發現了約300顆所謂的「太陽系外行星」,簡稱「系外行星」。一般認為,每14顆恆星約有一顆是行星系統的核心。仙女座υ(Upsilon Andromedate)是個三恆星系統,位於44光年之外,並有多顆行星環繞主星運行。

※  畢宿五(Aldebaran)又稱「金牛座α」(Alpha Tauri)這也是一顆紅巨星,位於65光年之外十字架一(Gacrux)又稱「南十字座γ」(Gamma Crucis),是顆紅巨星,位於88光年之外

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從100光年到1,000光年(1018~1019公尺)(範圍S

※  參宿四(Betelgeuse)是顆紅超巨星(red supergiant),又稱為「獵戶座α」。參宿四的質量約為太陽的20倍,體積卻達16億倍之多。參宿四約位於640光年之外,直徑4倍於地球到太陽的距離(4個天文單位),因此它是天空最大的恆星之一。參宿四是夜空第九亮星。

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從1,000光年到1萬光年(1019~1020公尺)(範圍T

※  獵戶座星雲(Orion Nebula,又稱M42)是一片稀薄的塵埃雲霧,位於1,500光年之外,那裡還有好幾千顆恆星逐漸成形,原料則得自世世代代恆星爆成超新星後留下的殘骸。這片星雲橫跨30光年,是銀河系中的我們最近的恆星生成區

※  M42代表梅西爾天體42號。查理士 梅西爾(Charles Messier)是18世紀法國天文學家,以編制夜空星表著稱。他的天體清單從M1列到M103,還有後來添加的7項,到今天依然沿用。

※  大犬座VY(VY Canis Majoris)是顆大型的超巨星,稱為「特超巨星」(hypergiant),位於5,000光年之外它的直徑是參宿四的兩倍,列名已知恆星的最大體積(但非最大質量)榜首(註:這是2009年的資料,該項紀錄已被改寫,最新資料請參閱巨大恆星列表。)

※  M1就是蟹狀星雲(Crab Nebula),位於6,500光年之外。1968年在該星雲中央發現了中子星(neutron star),這就是原始恆星塌縮形成的非常緻密天體,直徑只剩區區30公里。這種物質取一團方糖大小時就有一億公噸重。這顆中子星每秒繞自軸轉30次,一邊發出從無線電波到珈瑪射線的全頻譜射線。自轉的中子星稱為脈衝心(pulsar)。蟹狀星雲中心區的中子星,就是最早觀測到的脈衝星。脈衝星的磁場強度在宇宙間居冠,約等於地球磁場的千億倍。

※  回力棒星雲(Boomerang Nebula)是迄今發現的最奇特星雲。它位於5,000光年之外,溫度為攝氏-272度,號稱宇宙間最冷的地方,只比最低可能溫度高出一度。理論極低溫度稱為「絕對零度」(-273℃),實際上這是不可能達到的。分子在絕對零度時就不能再運動,但根據量子物理學,分子是不可能完全靜止不動的。

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從1萬光年到10萬光年(1020~1021公尺)(範圍U

※  克卜勒(Kepler)超新星位於20,000光年之外,是在我們這星系內最新近觀測到的超新星。

※  大犬座矮星系(Canis Major dwarf galaxy)計含10億顆恆星。它和銀河系重力中心約相距42,000光年,和太陽系則相隔25,000光年,它是最接近我們的相鄰星系

※  星系的典型直徑為一萬光年,銀河系則相當於那個平均值的8到10倍。矮星系受較大星系的重力牽絆,好比大犬座矮星系受銀河系牽絆,直徑可能只有幾十光年。

※  據信太陽系距離銀河系中心26,000光年。這個距離的估計值在近幾年來曾經出現大幅變化,已經從原先的35,000光年向下修訂。我們不單是不位於太陽系的中心,實際上也不位於星系的中心。事實上,我們還比較接近拱衛銀河的大犬座矮星系,和銀河系的中心反而相隔稍遠。

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從10萬光年到100萬光年(1021~1022公尺)(範圍V

※  大麥哲倫星系(LMC, Large Magellanic Cloud)位於17萬9,000光年之外,約由110億顆恆星組成。小麥哲倫星系(SMC, Small Magellanic Cloud)內含不到10億顆恆星,位於21萬光年之外

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從100萬光年到1,000萬光年(1022~1023公尺)(範圍W

※  巴納德星系位於160萬光年之外,橫跨200光年,同樣是個受了我們這座星系重力束縛的矮星系。

※  250萬光年之外,我們到了仙女座星系(M31),這是最接近我們的大型相鄰星系。它的尺寸甚至還兩倍於我們這個大的反常的星系。按目前所知,仙女座星系和銀河系都有14個衛星星系。仙女座星系和銀河系同樣都是螺旋星系。仙女座星系恰是我們肉眼能夠見到的最遠天體,它看來就像一顆暗淡的恆星。

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從1,000萬光年到1億光年(1023~1024公尺)(範圍X

※  銀河系屬於一個小型星系團,裡面的星系受重力牽引束縛,群集形成本星系群(Local Group)本星系群橫跨1,000萬光年,約有40個星系組成,其中有些非常小,好比大犬座矮星系、巴納德星系和人馬座橢圓矮星系等衛星星系。這個星系群中尺寸最大,遠勝其他星系的有我們這座星系和仙女座星系,再下來第三大星系的尺寸就有相當落差稱為「三角座」(Triangulum)星系。

※  最接近我們這座星系團的鄰團是室女座星系團(Virgo cluster),它和本星系群的中心相距6,000萬光年左右。室女座星系團相當大(內含星系數量有很多達2,500個),重力影響及於本星系群。

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從1億光年到10億光年(1024~1025公尺)(範圍Y

※  好幾座星系團(例如本星系群和室女座星系系團)齊聚合攏就形成超星系團(supercluter):眾星系團組成的集團。本星系群屬於室女座超星系團(可別跟室女座星系團搞混了),包含2500個明亮的星系;也就是我們看得見的星系,實際還可能更多。室女座超星系團約含有100個星系團,點點散布在跨越2億光年的範圍裡面

※  最接近我們的相鄰超星系團是長蛇一半人馬座超星系團(Hydra-Centaurus supercluster),位於1至2億光年之外。另一個鄰近的超星系團是后髮座超新星團(Coma supercluster),位於三億光年之外。據信宇宙間計有1,000萬個超星系團,各團之間的空隙則罕見任何星系。

※  后髮座超星系團位於「長城」(Great Wall)的中心。長城發現於1989年,就目前所知位列宇宙間第二大結構。長城是超星系團形成的巢狀結構約位於2億光年之外,長度據信約6億光年,不過也可能更長。長城寬3億光年,厚度卻只有1,500萬光年

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從10億光年到100億光年(1025~1026公尺)(範圍Z

※  迄今在宇宙間發現的最大天體稱為史隆長城(Sloan Great Wall),這項發現是依據史隆數位巡天計畫蒐集得到的資料。 史隆長城 是超星系團和星系團串接而成的長絲 約位於10億光年之外,長度幾達15億光年

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超過100億光年(1026公尺以上)(範圍Z+

※  我們能見到的最遙遠星體是 類星體 (quasar),全名為「類星無線電波源」(quasi-stellar radio source),約略位於130億光年之外 。類星體是宇宙間已知最老的天體,其中有些還列名最亮且質量最大的天體之林,比幾兆顆恆星合起來更亮。

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※  就目前的科技所知:我們的宇宙含300億兆到500億兆(3X1022到5X1022顆恆星列置於800億到1,400億座星系裡面接著這千百億座星系,又列置於星系團以及稱為超星系團的星系團集群裡然後再納入長城一類的超星系團絲狀天體

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此外本文還有以圖片為主的"相簿版本",請參閱

 

 

 

 

 

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