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宇宙正在消失,我們沒有辦法阻止它
  • 大爆炸后,物質、能量和輻射在迅速膨脹的狀態下,宇宙幾乎完全統一。隨著時間的流逝,宇宙不僅由于引力而聚集形成星團,而且在最大的尺度上個體聚合結構彼此無情地飛離。令人不安的是,隨著時間的流逝,每個星團都會從你的視線中消失。

自從科學家首次推測宇宙正在膨脹,星系離我們越來越遠,而且退去得越來越快。這并不是因為星系在物理上遠離我們,而是因為宇宙中充滿了引力的物體,這些物體所居住的空間結構正在擴大。

但是,從20世紀20年代開始,這幅圖就一直在不斷的修改。自從我們第一次意識到這種膨脹正在加速,僅僅20年,隨著時間的流逝,單個星系似乎越來越快地離我們遠去。到時候,即使我們以光速朝它們走去,它們也會變得遙不可及。宇宙正在消失,我們對此無能為力。

  • 在智利北部的拉西亞(La Silla)天文臺看到的銀河系,對于任何人來說都是一個令人驚艷、令人敬畏的景象,它為我們呈現銀河系中許多恒星的壯觀景色。然而,在我們的星系之外,還有數以萬億計的其它星系,難以置信的是它們都在遠離我們。

當你看到一束旅行了100年光時,你看到的這顆發光恒星離你100光年遠,因為光速是恒定的。但是,當您看到一個星系,它的光是在一億年的旅程后到達,您所看到的并不是一個相距一億光年的星系。相反,你看到的是一個遠得多的星系!

其原因是,在最大尺度上,那些沒有被引力束縛在一起的星系、星系群或星團在宇宙中膨脹。光子從遙遠的星系向你的眼睛傳播時間越長,宇宙膨脹的作用就越大,這意味著最遙遠的星系甚至比它們光所經過的時間還要遠。

  • 星系越遠,它離我們越快,它的光看起來越紅移。今天,隨著宇宙膨脹而移動的星系將比它從它發出的光到達我們的年數(乘以光速)還要大。

這表現在宇宙的紅移。由于光是用特定能量發射的,因此是一種特定的波長,我們完全期望它也會以特定波長到達目的地。如果宇宙的結構既不膨脹也不收縮,而是恒定的,那么這個波長將是相同的。但是,如果宇宙在膨脹,空間的結構會拉伸,如上面圖所示,因此光的波長會變長。這張圖片上的最遙遠的星系觀測到的巨大紅移,已得到了驗證。

  • 遙遠的星系,就像在大力神星系團中發現的星系群一樣,不僅已經紅移并遠離我們,而且它們明顯的消退速度也在加速。最終,我們將無法接收到它們的光。

但是,我們能做的遠不止確定宇宙已經膨脹并繼續膨脹。我們可以利用我們收集的所有信息來得出結論,宇宙是如何在其歷史中膨脹的,這反過來又告訴我們是由什么組成宇宙。

一旦光離開一個遙遠的宇宙源,膨脹的宇宙就會延伸光的波長。這導致紅移,當宇宙的不同組成部分(如暗能量、物質或輻射/中微子)更重要時,較遠的物體將處于較長的時間位。

  • 測量宇宙大距離的兩種最成功的方法是基于其表面亮度(L)或其表面角尺寸(R),這兩種方法都是直接可觀測到的。如果我們能夠理解這些物體的內在物理特性,我們可以將它們用作標準蠟燭(L)或標準標尺(R),以確定宇宙在宇宙歷史中是如何膨脹的,并了解宇宙由什么組成。

通過在一系列距離上測量光源源,發現它們的紅移,然后測量其內在對表觀大小或內在對表觀亮度,我們可以重建整個宇宙的膨脹歷史。

此外,由于宇宙的膨脹方式是由宇宙中存在的各種物質和能量決定,因此我們可以了解宇宙是由以下物質組成的:

  • 68%暗能量,相當于宇宙常數,
  • 27%暗物質,
  • 4.9%正常(質子、中子和電子)物質,
  • 0.1%中微子和反中微子,
  • 約0.008%的光子,以及
  • 絕對沒有別的,包括沒有曲率,沒有宇宙弦,沒有域墻,沒有宇宙紋理,等等。
  • 過去不同時期宇宙中不同能量成分的相對重要性。請注意,當暗能量在未來達到接近100%時,宇宙的能量密度(因此,膨脹速率)在時間上將保持任意地保持恒定。由于暗能量,遙遠的星系已經加快了從我們這里明顯消退的速度。

一旦我們知道宇宙的精確構成,我們就可以簡單地將它應用到引力定律(由愛因斯坦的廣義相對論給出),并確定我們宇宙的未來命運是什么。當我們第一次將這個應用于發現一個暗能量主導的宇宙時,我們的發現令人震驚。

首先,這意味著所有尚未受到引力約束的星系最終都會從視野中消失。隨著宇宙的不斷膨脹、膨脹和再膨脹,它們會以越來越快的速度離開我們,不受引力或任何其他力量的抑制。隨著時間的流逝,一個星系會越來越遙遠,這意味著這個星系和我們自己之間的空間越來越大。由于空間繼續膨脹,星系似乎以越來越大的速度移動。

  • 這里顯示的GOODS-North調查包含一些迄今觀測到的最遙遠的星系,其中一些星系的距離得到了獨立確認。在這張圖像中拍攝的許多星系已經無法到達,即使我們今天以光速旅行。

但有一個必然的結論,該結論更令人不安。這意味著,在離我們特定的關鍵距離上,空間結構本身的膨脹使得光子要么離開我們的星系走向遙遠的星系,要么離開一個遙遠的星系朝我們行進,將永遠無法到達我們星系。宇宙的膨脹速度如此之大,以至于即使我們以光速行進,我們也無法接近遙遠的星系!

目前,這個距離'只有'大約150億光年。如果考慮到我們可觀測到的宇宙半徑約為460億光年,并且所有空間區域(平均和最大尺度上)包含相同數量的星系,這意味著即使我們今天以光速旅行,我們能到達的星系只占宇宙星系總數的3%左右。

  • 宇宙的可觀測(黃色)和可到達(洋紅色)部分,在我們可觀測的宇宙中,97%的星系都包含在洋紅色圈之外;只有3%在洋紅色區域內。

這也意味著,平均而言,每秒有兩萬顆恒星從可到達過渡到無法到達。一秒鐘前發出的光總有一天會到達我們,但一秒鐘后發出的光,卻永遠不會到達我們的星系。這是一個令人不安結論,但也有一個更樂觀的方式看待它:這是宇宙提醒我們,一定要珍惜每一秒。這是宇宙告訴我們,如果我們想要超越我們自己的本地組,超越由仙女座、銀河系和大約60個小衛星星系組成的引力約束的天體集,我們一刻也不能延誤,每延誤一刻,我們都會失去一個接近機會。

  • 圖中顯示,宇宙的不同的命運,與我們實際的、加速的命運顯示在右邊。持續加速確保每個星系不會受到引力約束,最終會加速遠離我們,不僅我們無法到達,而且對我們不可見。

從銀河系的角度來看,在我們今天宇宙中估計的兩萬億個星系中,只有大約3%的星系仍然可以到達。這也意味著,由于暗能量導致宇宙加速膨脹,我們可觀測的宇宙中97%的星系已經無法進入人類范圍。隨著時間的流逝,我們本地集團以外的每一個星系都注定會遭遇同樣的命運。

除非我們發展星系間旅行的能力,前往其他星系群和星團,否則人類將永遠被困在我們當地的星系群中。隨著時間的流逝,我們甚至沒有能力,將信號發送到位于大宇宙之外的天體,或接收位于大宇宙之外天體發出的信號。宇宙的加速膨脹是無情的,現有宇宙所具備的引力不足以克服它。宇宙正在消失,我們沒有辦法阻止它。

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