宇宙诞生于138亿年前 为什么我们可以看到460亿光年远的宇宙
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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。
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!
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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