宇宙中到底有多少颗恒星？可以算出来，远比我们想象的更少
划重点
1、如果你向地球四周观察可观测到的宇宙，四面八方可囊括的距离可达461亿光年，其中包含着数万亿个星系。
2、地球所在的银河系包含了几千亿颗恒星，所以你可能会认为，用银河系中的恒星数量乘以星系的数量是估算整个宇宙中恒星总数的好方法。
3、银河系并非宇宙中常见的星系，而太阳也并非是典型的恒星，因此宇宙中恒星的数量远比我们想像的更少。
地球所在的银河系大约有4000亿颗恒星，而整个宇宙拥有6万亿到20万亿个类似星系。这意味着，恒星的数量将非常庞大。然而，事实上，宇宙中恒星的数量并没有我们想象的那么多。
图：从地球所在的位置，可以看到银河系中最大、天体最多的球状星团之一半人马座星团(OMEGA Centauri)。在其核心，许多不同颜色的恒星都被拍摄了下来。尽管对数百万颗恒星进行了长时间观察，但科学家们没有发现任何恒星是由真正的原始物质构成的，只有一些恒星含有少量重元素，这表明恒星在形成过程中经历了多次“爆发”。不同世代的不同性质可以让我们得出关于轻元素初始丰度的结论，并为宇宙中的恒星形成历史提供线索。
无论我们站在地球上朝太空的哪个方向看，都能看到无所不在的恒星和星系。就恒星而言，在一个晴朗、黑暗的夜晚，人类肉眼可以看到大约6000颗恒星，但这只是整个宇宙的一小部分。我们所在的银河系，直径超过10万光年，包含约4000亿颗恒星。
大约20年前，我们认为在银河系所在的星系群中总共有大约60个星系，其中仙女座星系包含的恒星数量甚至比银河系还要多。现在，我们知道在银河星系群中可能有数百个或更多的星系，其中大多数是较小、低质量的矮星系，而它们包含的恒星数量不到银河系的0.1%。
如果穿越宇宙时间，我们会发现宇宙中总共有6万亿到20万亿个星系。你可能会想用我们银河系的恒星数量乘以宇宙中星系的数量来估计宇宙中可能存在的恒星总数。只是，如果你真的这么做了，你不仅会得到错误的答案，还会把恒星的数量高估数百倍。
图：詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄到的部分宇宙深场图，与哈勃太空望远镜的观测结果相对应。在JWST的深场范围内，有大量的天体是哈勃望远镜没有看到过，这表明JWST有能力揭示哈勃望远镜无法发现的东西，这主要归功于它的长波能力。根据哈勃望远镜对整个框内区域(此处仅部分可见)的观测，在仅占整个天空1/ 3200000的区域中发现了5500个星系。然而，这可能只是宇宙中所有星系总数的一小部分，其中大多数星系因为太暗、太小，哈勃望远镜或JWST都无法观测到。
宇宙首代恒星100多亿年前形成，如今早已不复存在
首先，你要明白的是，为什么用最天真的方法来计算宇宙中所有恒星的数量可能会得出错误的结论。你的第一反应可能会说：“我们生活在银河系，而银河系是个包含着大量恒星，因此，我们可以计算（或估计）银河系中的恒星数量，以及可观测宇宙中的星系数量，然后将这两个数字相乘，就可以得出可见宇宙中包含的恒星总量。”
但这种方法的前提有多个不一定正确的假设。比如，它假设银河系是宇宙中最常见的普通星系，但事实并非如此。它假设我们在银河系中看到的恒星数量，代表了我们在宇宙其他星系中看到的恒星数量的“平均值”，但这同样不是事实。它还假设我们发现的数十亿光年以外的星系拥有的恒星数量与现在的星系一样多，但实际上我们现在看到的是数十亿年前的星系。
事实证明，这些假设都不成立。但幸运的是，这并不妨碍我们能够准确地计算出今天在可见宇宙中到底有多少颗恒星可以观看。
图：这是一位艺术家对最初几万亿颗恒星形成、存活和死亡后早期宇宙环境的渲染图。虽然早期宇宙中有光源，但光很快就会被星际或星系物质吸收，直到再电离完成。虽然JWST正在努力揭示这些早期恒星的证据，但它只能揭示那些光没有被中间的中性物质完全吸收的星系。虽然它可以追溯到大爆炸后仅3.2亿年，但少数幸运恒星可能会在大爆炸后5000万至1亿年内形成，远远超出JWST目前的研究范围。
当我们想到宇宙历史上形成的恒星时，有很多东西需要考虑。最初，在炙热的大爆炸开始时，根本没有恒星，只有亚原子粒子形式的原始成分，它们最终会在引力作用下坍缩形成恒星。这个过程并不快，而且它要求宇宙以多种方式进化。它必须形成原子核来固定第一批原子，这是在大爆炸的最初几分钟内发生的，这个过程被称为大爆炸核合成。
然后，宇宙必须冷却到一定程度，这样电子才能与这些原子核结合，形成中性原子。这个过程大约需要38万年。
即便如此，宇宙仍然几乎是完全均匀的环境，宇宙在诞生之初几乎处处密度相同，“密度过高”和“密度过低”区域与宇宙平均密度的差距仅为十万分之一。这些密度过高的区域将需要更多的时间（数千万年到数亿年），才能成长到足以形成第一批恒星的程度。当那一刻最终到来时，出现的恒星与我们今天看到和知道的恒星完全不同。
图：最早形成的恒星和星系应该属于Population III恒星，它们只由高温大爆炸期间首次形成的元素组成，其中99.999999%是氢和氦。这样的恒星从未被看到或证实过，尽管许多人使用了不充分的、不确定的测量来表明它们已经存在，但一些人希望JWST最终会发现它们。与此同时，我们所看到的最遥远的星系都非常明亮，本质上是蓝色的，但并不是很原始，在大爆炸后的数亿年里仍然展现在我们面前
宇宙中的第一批恒星并没有大量的重元素来帮助它们形成。重元素，如碳、氧、氮、硅、铁等，是坍塌的气体云冷却、辐射热量和能量的主要手段。但在大爆炸之后不久，没有这样的元素，宇宙几乎完全由氢、氦和它们的同位素组成。事实上，宇宙中99.9999999%的原子(以质量计)是某种形式的氢和氦，剩下的则全部是锂。尽管从技术上讲，在宇宙历史的最初几分钟里形成了少量的铍，但所有这些铍原子都是放射性的，在第一批恒星形成之前就衰变成了锂。
然而，氢和氦都是不友好的原子，因为它们不能传输和辐射热量。事实上，在这个早期的环境中，收缩的气体云释放热量的最佳方法可以说是通过偶尔的双原子氢分子(H2)来释放热量，这是导致气体收缩到足以形成恒星的关键步骤。与现代的重元素相比，氢分子的效率仍然非常低。
图：现代的摩根-基南光谱分类系统，上面显示了每一类恒星的温度范围，单位是开尔文。今天绝大多数(80%)的恒星是M级恒星，只有1/800属于O级或B级恒星，它们的质量足以形成核心并坍缩为超新星。太阳属于G级恒星，在宇宙中非常不起眼，但比95%的恒星都亮。早些时候，当没有重元素的时候，几乎所有已形成的恒星都是O级和B级恒星，也就是最热、最蓝、质量最大的恒星
因此，第一批形成的恒星需要非常大的气体云，而形成的恒星的质量比我们今天看到的常见恒星要大得多。虽然今天形成的恒星“平均”质量约为太阳质量的40%，但第一代恒星的“平均”质量必须更接近太阳的十倍，其中许多恒星的质量是太阳的25倍，甚至更多。
电影《银翼杀手》中的一句话总是让我们想起质量巨大的恒星，“燃烧两倍明亮的光，燃烧的时间只有一半”。但在实际情况下，如果你有两颗由相同“物质”组成的恒星，其中一颗的质量是另一颗的两倍，那么质量较大恒星的亮度大约是另一颗的8倍，而寿命只有后者的八分之一。亮度和寿命似乎与恒星质量的立方有关。当我们谈论当时一颗典型的恒星时，如果其质量是太阳的十倍，亮度是太阳的一千倍，那么其寿命只有太阳的0.1%。只有几百万年，而不是几十亿年。
1）当我们回想形成的第一代恒星时，我们必须认识到它们的寿命极其短暂，这些100多亿年前形成的第一代恒星早已不复存在；
2）我们还必须认识到，它们与后来形成的恒星有着根本的不同：它们的初始质量函数，即给定质量的恒星数量分布，与后来形成的恒星完全不同；
我们必须意识到，第一代恒星非常擅长为周围环境提供第一批重元素，而第二代恒星应该在第一代恒星之后不久形成的，与第一代恒星截然不同。
图：恒星形成区域Sh2-106展示了一系列有趣的现象，包括被照亮的气体，提供这种照明的是一颗明亮的中央恒星，以及尚未被吹走的气体的蓝色反射。这一区域的各种恒星可能来自不同世代，但它们都不是原始恒星，因为它们都含有大量的重元素
绝大多数恒星形成于宇宙历史最初30亿-40亿年
一旦第二代恒星开始形成，我们实际上可以找到观测证据，因为这类恒星今天仍然存在，甚至还有一些类似的区域（几乎没有重元素存在）今天仍然在形成恒星。在最遥远的星系中形成的最早的恒星还没有被直接发现，尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜在其被部署的最初14个月中就让我们非常接近目标，但我们有很好的测量数据来衡量宇宙是如何形成随后几代恒星的，可以追溯到整个宇宙历史。无论我们往哪里看，在所有的方向和位置，只要我们能看到恒星和星系，我们就能测量里面的恒星形成率。
近年来，天文学和天体物理学取得的显著进展之一是，人们对整个宇宙历史上恒星形成的过程有了全面的了解。很长一段时间以来，我们对恒星形成在宇宙历史上是增加还是减少，以及这对宇宙中恒星总数意味着什么都知之甚少。但研究显示，答案是不再增加！在2000年到2020年之间，这个曾经默默无闻的科学领域成为人们关注的焦点。2014年首次发表的一篇论文终于让我们揭开了宇宙中恒星的形成历史，从今天一直追溯到宇宙只有6.5亿年的历史，或者说只有现在年龄的5%。
图：宇宙中的恒星形成率是红移的函数，而红移本身又是宇宙时间的函数。总体速率(左)是从紫外线和红外观测中得出的，并且在时间和空间上非常一致。请注意，今天的恒星形成只有其顶峰时期的百分之几(3%-5%之间)，而且绝大多数恒星是在我们宇宙历史的头30-40亿年形成的。在所有恒星中，最多只有大约15%是在过去46亿年内形成的
虽然关于宇宙最初的6.5亿年仍然存在许多巨大的不确定性，但对于我们这些想知道现代宇宙中恒星数量的人来说，有一些好消息。
首先，在宇宙中形成的恒星总数中，只有不到1%的恒星是在早期形成的，否则宇宙星际介质中的中性原子将比我们观察到的大爆炸发生的时间早得多，大约在大爆炸后约5.5亿年。
其次，一旦宇宙中重元素的含量达到太阳中的千分之一，我们就可以认定，恒星形成的初始质量函数（即形成恒星的数量和质量的函数分布）， 在宇宙时间内与今天几乎相同。
第三，如果我们想知道今天有多少恒星存在，那么我们所要做的就是将宇宙历史上形成的恒星总数加起来，然后减去到今天应该完成其生命周期的恒星，即减去已经死亡的恒星。
换句话说，如果我们知道整个历史上的恒星形成率，知道这个速率足以解释已经形成的99%的恒星形成状态，并且我们了解恒星的生死机制，我们就可以计算出在我们整个宇宙历史上形成的恒星中有多少今天仍然存在。
图：这张图片显示了Ia型超新星的残骸。超新星是宇宙中仅次于核心塌缩超新星的第二种最常见的超新星，我们现在已经通过现代望远镜观测了1550次这样的事件，使我们能够十分了解我们宇宙的历史和组成。然而，在所有曾经形成的恒星中，只有一小部分完成了它们的生命周期，死亡并产生了像这样的恒星残留物
那么，“宇宙中有多少颗恒星”这个问题就有两个答案了。当然，你得到的答案取决于你对所问问题的理解：
今天在可观测的宇宙中存在多少颗恒星？也就是说，如果你能围绕我们在太空中的位置画一个虚构的球体，一个向所有方向延伸461亿光年(可见宇宙大小)的球体，并测量其中存在的所有恒星，在大爆炸138亿年后的今天，会有多少颗恒星？
或者，从我们目前的角度来看，如果我们有无限的望远镜功率、灵敏度和波长覆盖范围，目前可以观测到多少颗恒星？换句话说，如果我们像今天看到的那样看待所有的恒星和星系，加上此刻从宇宙各地进入我们眼睛的光线，我们会看到多少颗恒星？
这两个问题的答案是不同的，而且不同的程度可能超出你的想象。回顾我们能观察到的东西，我们看到的是它们过去的样子，而如果我们计算目前存在的东西，在宇宙大爆炸138亿年后，我们必须在心里“快进”我们所看到的东西，它越远，我们看到的东西就越大，因为我们看到的是宇宙过去更久远的东西。
图：Goods-South这个深场区域包含18个星系，它们形成恒星的速度非常快，以至于内部恒星的数量将在1000万年内翻一番。哈勃望远镜对宇宙最深刻的观察，将我们带回到宇宙的早期历史，那时恒星的形成要大得多，而宇宙中大多数恒星甚至还没有形成
恒星形成速度大幅放缓，仅及峰值时期3%
关于今天可观测宇宙中存在的恒星数量，这个问题更容易回答，因为它只需要我们用数字把宇宙历史上累积形成的所有恒星加起来，然后减去已经死亡的恒星。太阳的总寿命为100亿到120亿年，质量比宇宙中95%的恒星都要大，寿命也要短，所以如果我们假设每颗诞生的恒星都还存在着，我们最多只会有5%的误差。
如果你做出这样的假设，一个简单的计算告诉我们，宇宙中总共有2.21 sextillion（100万的6次幂）颗恒星。这是一个很大的数字：估计我们的宇宙中有大约2万亿个星系，每个星系大约有10亿颗恒星，但比用银河系中的恒星数量乘以宇宙中的星系数量得到的答案要低数百到数千倍。
银河系是个比普通星系更大、质量明显更高的星系，就像太阳比现存95%的恒星更大、质量更高一样。如果考虑到恒星的死亡，你会发现，在宇宙大爆炸138亿年之后的今天，宇宙中大约有2.14 sextillion颗恒星。如果你观察年轻时的宇宙，你会发现：
现在98%的恒星是在129亿年前形成的，75%形成于73亿年前，50%形成于49亿年前，25%形成于33亿年前，10%在22亿年前形成，5%在17亿年前形成，1%形成于10亿年前，0.1%大约形成于5亿年前，0.01%形成于大约2亿年前。如今，恒星的形成速度已经大幅放缓，只有100多亿年前峰值的3%。
图：在狼蛛星云中心发现的这个年轻星团被称为R136，它包含了许多已知质量最大的恒星。其中就有R136a1，它的质量相当于260个太阳，是已知最重的恒星。虽然也有大量温度较低、颜色更红的恒星存在，但最亮、最蓝的恒星占据了这张图像的大部分区域
但是，如果你想知道，在观察能力不受限的情况下，宇宙中到底有多少颗恒星是你现在可以看到的？请记住，在这个宇宙中，当你的目光看向越来越远的距离时，你也在时间上看得更远。当你回顾65亿年前的某个星系时，你只会看到今天在可比星系中发现的大约75%的恒星，这相当于80亿光年多一点的距离。但就你所能看到的宇宙的体积而言，记住这是一个三维宇宙，如果我们能从各个方向看到约460亿光年的范围，那么回过头来看约80亿光年的距离，大约只包括整个可见宇宙体积的0.5%。
当进行计算时，你会发现，从我们的角度观察，我们只能看到大约8乘以10的19次幂颗恒星：在大爆炸后138亿年的今天，大约占我们可观测宇宙中所有恒星总数的4%。更重要的是，如果你将银河系中的恒星数量乘以可见宇宙中的星系总数，这个数字只是你估计的(不正确的)恒星数量的0.001%。
虽然关于宇宙中最早的恒星和星系还有大量的信息有待发现，但我们已经知道了其中大多数的故事。尽管这些都是巨大的数字，但它们依然是有限的，我们可以观测到的恒星数量比人们意识到的要少得多。享受我们所拥有的风景吧，因为宇宙的大部分不仅遥不可及，甚至超出了我们的想象空间。（文/金鹿）
