科學也可以如此靠近

宇宙可能是無限大的,但我們只能看到那麼多了

3月
30
2019

2019年3月30日00時 天文在線

天文在線

整個宇宙的大小可能為無限大,但目前未有定論。不過有個值是可以確定的,那就是人類可觀測到的宇宙範圍,這個值大約為930億光年。那麼這個值是如何得來的嘞?本文後面將做解釋。

可觀測宇宙的模擬全圖,室女座超星系團位於中心位置,但因過於渺小以至於看不見。

首先我們要理解下這個光年是什麼概念,它不是時間單位,而是長度單位。1光年就是光1年傳播的距離值,按照光每秒傳播約30萬千米的速度來計算,可以得出1光年約94607億千米。那麼930億光年有多遠,可想而知了。

藝術家對可觀測宇宙的對數尺度構想,以太陽為中心,朝外是太陽系內行星和外行星,柯伊伯帶,奧爾特雲,南門二,獵戶臂,銀河系,仙女座星系,鄰近星系,宇宙纖維狀結構,宇宙微波輻射以及處在邊緣的不可見的大爆炸等離子體。

根據經典廣義相對論,宇宙空間中的一些區域膨脹的「速度」大於有限的光速。我們知道光速也是有限的,約每秒傳播30萬千米的路徑。但是狹義相對論指出沒有任何物質以及信息可以超越光速,不過一些宇宙本身的空間區域是可以的,這就是著名的持續的空間擴展(Metric expansion of space),也可以這麼說:空間擴展所花費的時間,會比光(信號)抵達該區域的時間還快。

哈勃超深場拍攝到的一個可觀測宇宙區域(等效的天空面積大小顯示在左下角),在天爐座的附近,每一個點都代表著一個星系,它們都由數十億顆恆星組成,來自最小的、紅移最多星系的光產生於140億年前。

要理解這個不難,我們舉一個假設的例子,從地球發出一個信號,此信號速度以光速前行(無線電信號也是光速傳播的),但信號在抵達這些區域時,出現滯留狀態,也就是永遠抵達不了這些區域。還有一點必須要明確的是由於這些區域過於遙遠,以至於最初大爆炸時發出的光未能抵達。說不定以後隨著時間的推移,更多天體會被歸納於可觀測宇宙範圍。但是根據哈勃定律,宇宙中足夠遙遠的區域是以超光速的速度膨脹的,所以它們會遠離我們,使得我們用不可見。

因此這些區域無法影響我們,我們所描述的可觀測宇宙是指可以影響或受影響我們的宇宙空間,換言之,就是「最遙遠」的光可以抵達我們地球,以我們作為中心形成一個可觀測宇宙空間球。從地球中心出發,其半徑約為465億光年,因此我們的可觀測宇宙空間球範圍直徑約為930億年。那麼這些數值是如何得來的?

一些較為複雜的公式,不過其中一個重要的參數就是宇宙再複合時期的紅移值,這一值的測量來源於威爾金森微波各向異性探測器長達9年的測量數據。

這是對可觀測宇宙大小最普遍的誤解之一。儘管宇宙年齡是138億歲,但因為宇宙膨脹,到可觀測宇宙的邊緣並不是138億光年。圖為位於紐約市羅斯地球與太空中心的一塊牌匾。

來自於知乎


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