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宇宙年龄是138亿年,为什么我们能看到460亿光年远的宇宙?


这是一个非常遥远的宇宙的图像,其中许多星系离我们有几百亿光年远。

关于宇宙有一些基本的事实——它的起源,它的历史,以及它今天的样子——我们每个人都多少了解一些。

这其中一个众所周知的事实就是宇宙大爆炸或者说是宇宙诞生于138亿年前。我们也能够大概描述我们今天所知道的宇宙:充满物质和辐射,以及最终成长为恒星、星系、行星和人类的成分。

既然宇宙诞生时间知道了,那么我们能看到多远?你可能会想,在一个被光速限制的宇宙中,那将是138亿光年:宇宙的年龄乘以光速。但是138亿光年实在是太小了,不足以成为正确的答案。

事实上,我们可以在所有方向上看的到460亿光年远,这个可见宇宙球,其总直径为920亿光年。

为什么会这样?我们可以用三种直观的方式来思考这个问题,但是只有其中一个是正确的。


艺术家对可观测宇宙的对数尺度想象图

(1)物质无处不在,光以光速传播

这是大多数人的“默认”模式。你可以想象一个到处都是恒星和星系的宇宙,这些恒星和星系现在的状态和宇宙开始的状态非常接近。因此,我们等待的时间越长,我们就能看到的越远,因为光以光速沿着直线传播。所以在138亿年之后,你预计能看到大约138亿光年,即使有误差,也仅仅是减去恒星和星系在大爆炸后形成的时间。


古德斯-恩菲尔德星系,星系gnz11突出显示:目前发现的最遥远的星系。

(2)物质无处不在,光以光速传播,一切都能在空间中移动。

这增加了问题的另一层;不仅有大量的物质可以发光,而且这些发光的物体可以相互移动。因为它们可以根据狭义相对论的规则移动到(但不完全是)光的速度,而光以光速向你移动,你可以想象在第一种情况下会看到两倍的光。假设它们的光现在到达我们这里,它们以接近光速的速度离开我们,也许现在的可视宇宙可以达到276亿光年。


宇宙的不同可能的命运,与我们真实的,加速的命运在右边显示。

(3)物质无处不在,光以光速传播,恒星和星系移动,宇宙在膨胀。

这最后一层是违反直觉的,大多数人都是最难理解的。是的,空间充满了物质,它会迅速聚集成恒星、星系甚至更大的结构。是的,它所产生的光都是以光速在真空中传播。而且,所有这些物质都能在太空中移动,这主要是由于不同的高密度区域相互吸引。所有这些都是正确的,就像在第二种情形中一样。

星系的“流动”与附近的质量场相对应。

但也有一些额外的东西。就是空间本身在膨胀。当你看到一个遥远的星系,发现星系比正常更红了,一般的思考方式是该星系是红色的,因为它在远离我们,因此光线以同样的方式转移到长波(红),类似于120急救车警报远离你的声音,它们转移到更长的波长和低音调。

这说明了在膨胀的宇宙中红移是如何工作的。

但是我们还要考虑到宇宙本身在膨胀,因为宇宙膨胀,空间结构延伸,在那个空间里的光波也可以看到它们的波长出现延伸!

你可能认为不可能把这两种效果区分开来。如果你能测量的是光线到达你的眼睛的波长,你怎么知道它是由于运动还是由于空间的结构?事实证明,红移(也就是波长)和观测到的星系亮度之间存在一种关系,这是距离的函数。在一个不膨胀的宇宙中,正如我们前面所提到的,我们能观测到的最大距离是宇宙年龄的两倍,即276亿光年。但是在我们今天的宇宙中,我们已经观测到的星系远比这遥远!


图中所示的GOODS-North调查包含了迄今为止观测到的一些最遥远的星系,其中有许多已经在300亿光年之外(在右侧突出显示)。

那么在各个方向上我们能看到多远?如果宇宙中没有暗能量,那么最远的天体——恒星、星系、大爆炸留下的余辉等等——将被限制在414亿光年。(这一数字的相对论推导,即R = 3ct,应该是那些在研究生院接受广义相对论的人所熟悉的结果。)但在一个暗能量的宇宙中,这被推向了一个更大的数字:我们宇宙拥有的观测到的暗能量有460亿光年。


狭义相对论(点)和广义相对论(实线)预测宇宙膨胀的距离。确切地说,只有广义相对论的预测与我们观察到的相符。

把这些都放在一起,这意味着我们可以看到的宇宙间的距离,从一个遥远的一端到另一端,是920亿光年。别忘了,它还在继续扩张!如果我们今天以光速离开,我们只能到达大约三分之一的路程,大约是它体积的3%。换句话说,由于宇宙的膨胀和暗能量的存在,即使我们以光速离开,97%的可观测宇宙已经无法到达。


我们可见宇宙的大小(黄色),以及我们可以到达的位置(洋红色)。

因此,920亿光年对于一个138亿年的宇宙来说似乎是一个很大的数字,但它是我们今天所拥有的宇宙的正确数字,充满物质,辐射,暗能量,并遵循广义相对论的定律。宇宙本身正在膨胀,新的空间不断地在宇宙中被束缚的星系、群体和星团之间产生,这就是宇宙如何变得和我们的眼睛一样大。考虑到它是什么,支配它的是什么,它是怎样产生的,它不可能有任何其他的方式。

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