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宇宙誕生至今138億年,為何可觀測宇宙的直徑有930億光年?

眾所周知,宇宙的年齡是138億年,按照大爆炸宇宙理論,宇宙中最早的光誕生于138億年前,宇宙膨脹至今直徑頂多是276億光年。那為什么科學家們說目前的可觀測宇宙的直徑為930億光年?

因為宇宙一直都在以超光速膨脹

宇宙在超光速膨脹并沒有違反任何物理規律。愛因斯坦的相對論中說真空中的光速是宇宙中物體運動速度的極限,那說的是有靜止質量的物體的運動速度不能超過光速,卻并沒有規定空間的膨脹速度不能超過光速。我們的宇宙之所以這么大,就是因為空間在持續不斷的以超光速膨脹。

20世紀20年代,美國天文學家埃德文哈勃發現河外星系正在遠離我們。河外星系的視向退行速度與距離成正比,離我們越遠的星系退行速度越快。據美國宇航局公布的最新測量結果,星系距離我們每增加326萬光年,退行速度就增加74千米每秒。

上圖為愛德文·哈勃

哈勃的這一發現使我們認識到宇宙正在膨脹。而且據此還可以推斷,在很久很久以前,宇宙之間星系之間的距離更近,物質密度也更大,那么早期的宇宙可能誕生于一個原始火球,這為大爆炸理論提供了有力的證據。

星系之間之所以在相互遠離,就是因為宇宙空間在膨脹,而不是由于星系的運動造成的。我們可以這樣理解宇宙空間的膨脹,相信許多人都吹過氣球吧,當氣球膨脹時,氣球上任意兩個點之間都在相互遠離,距離被拉升,而宇宙空間的膨脹就與它類似,因而宇宙并不存在于一個特殊的膨脹中心。把氣球上的點換成星系,那么就很好理解星系之間為什么會相互遠離了,并且距離越遠的相互遠離的速度越快。

如上圖所示,宇宙像氣球一樣膨脹。

通過對遙遠超新星的觀測,科學家們發現宇宙不僅在膨脹,而且目前正在加速膨脹,發現了該項研究成果的三位天體物理學家也共同分享了2011年的諾貝爾物理學獎。究竟是什么原因是宇宙加速膨脹?科學家們認為這與占宇宙總質能68%的暗能量有關。

上圖為宇宙的膨脹歷程

天體距離我們那么遠,科學家又是如何知道是空間在膨脹,而非星系在相互遠離?

哈勃通過星系的光譜發現河外星系在遠離我們。哈勃發現河外星系的光譜線會向紅端移動,距離越遠的星系紅移量越大,這被稱之為宇宙學紅移。之所以會產生紅移,就是因為空間的膨脹把光波拉長了。

產生這種紅移現象的原因是空間膨脹而不是星系遠離造成的。

有三種原因可以產生光譜紅移現象,包括多普勒紅移、宇宙學紅移和引力紅移。多普勒紅移是由于觀察者和光源的相互遠離而產生的;宇宙學紅移是由于空間的膨脹產生的;引力紅移是受引力源作用而產生的,需要黑洞級別的引力源才能產生明顯的紅移現象。在較近的區域內,由于星系的視運動較明顯,多普勒紅移與宇宙學紅移很難區分開來,只有在相當遙遠的距離(上億光年以上)上才能區別這兩者所引起的譜線差異。

正是因為以上發現,才證明了宇宙空間在膨脹,而不是星系在遠離。我們并不處于宇宙中心,在任何位置觀測得出的結論都是星系之間在相互遠離,而我們所看到的這種現象正是宇宙空間的膨脹造成的。

為什么星系內部察覺不到宇宙膨脹這種現象?

那是因為在幾百萬光年以內的小尺度范圍內,引力的作用強度遠大于迫使空間膨脹的力量,只有在大尺度范圍內才能看見天體之間在相互遠離。

正因為如此,星系內部才觀察不到宇宙在膨脹,星系也正是在引力的作用下才維持穩定的。雖然宇宙在膨脹,但仙女座與銀河系正在引力的作用下相互靠近,據科學家預測,在30多億年之后,仙女座星系和銀河系將會發生碰撞融合,形成一個更大的星系。

為什么可觀測宇宙的直徑有930億光年?

最早的光從宇宙誕生之初就開始傳播,光以光速在宇宙中傳播了138億年才到達了我們的眼中,正是因為空間的超光速膨脹,才使光僅用一百多億年的時間就走完了幾百億光年的路程。按照大爆炸理論模型計算,在電磁波范圍內可觀測宇宙的直徑有922億光年。

根據大爆炸理論,在宇宙誕生之初的38萬年時間里,宇宙間還是一片混沌,物質的密度很大,光也不能自由的傳播。這意味著這段時間內的情況用光是觀察不了的。即使這么短的時間,宇宙就已經膨脹了8億光年,因為當時宇宙正處于暴漲時期。要想觀察到這段時間內的情況就需要用到引力波。

如圖所示,天體之間的引力作用在空間中激起漣漪,形成引力波,并向遠方傳去。

那么合計起來可觀測宇宙的直徑就是930億光年了。算上不可觀測的部分,宇宙的實際大小肯定還要大上很多。

如果未來宇宙繼續加速膨脹,那么總有一天,星系之間將會變得非常遙遠,以至于附近其它星系的光永遠也不能被我們所觀測到,宇宙將會變成一片黑暗和死寂。

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