可观测宇宙的范围远远超出了以光年为单位的其年龄,因为在遥远光线传播的过程中,空间本身已经膨胀了。然而,即使在这片广阔的区域内,一些星系也注定会永远从视野中消失。图片来源:Shutterstock
宇宙的膨胀使得宇宙距离远不如简单测量光传播了多久那样直观。
膨胀的宇宙让距离更难定义,因为光在传播时空间一直在膨胀。天体持续发光,但当这些光向我们传播时,星系之间的平均距离在增加(是的,我知道有时星系会碰撞,但我们这里说的是平均情况,在大尺度上)。
当来自遥远星系的光经过数十亿年的传播最终到达望远镜时,它展示的是该星系过去的样子。它无法直接告诉我们这个星系现在有多远。为了估算它现在的距离,天文学家会使用一个宇宙学模型,该模型会考虑光传播期间宇宙膨胀了多少。
主导模型被称为ΛCDM,它既包含暗物质(不同章节)也包含暗能量(不同章节)。其优势和局限性可以讨论(不同章节),但替代模型通常不会对基本图景产生太大改变。
膨胀拉伸了可观测宇宙
我们能看到的最远距离——考虑到宇宙自诞生以来一直在膨胀——大约为450亿光年。这个距离被称为粒子视界、宇宙学视界或共动视界,具体称呼取决于你当下想用哪种说法。这就是我们可观测宇宙的范围,也就是我们此刻能看到的最大范围。
但是等等,45难道不大于13.77吗?这难道不意味着宇宙膨胀的速度比光速还快吗?是的,是的,确实如此。
这没什么大不了的。那是因为光速限制只适用于局部观测——我永远不会看到火箭飞船以超过光速的速度从我身边飞驰而过。如果你认为这是某种作弊手段,那不是;这就是狭义相对论的构建方式。宇宙边缘的物体可以拥有任意速度,因为它们距离遥远。
红移揭示了宇宙退行速度更快
事实上,我们可以通过红移来计算任何物体的当前速度。如果一个星系正在远离我们,它的光就会向电磁波谱的红端移动。这正是埃德温哈勃最初发现宇宙膨胀的方法。在膨胀的宇宙中,越遥远的物体退行速度越快,因为它们和我们之间有更多的空间在膨胀。
而物体将以超光速远离我们的转折点,正好位于哈勃距离处。
第二个地平线限制了未来的光线
我们仍然能观测到这些星系,因为到达我们这里的光在数十亿年前就开始了它的旅程,那时它们距离我们近得多。一些更远的星系也可能因为同样的原因随着时间的推移变得可见。然而,存在一个被称为宇宙学事件视界的边界(它与黑洞的事件视界略有不同)。它位于大约170亿光年之外。从该距离之外现在发出的光,无论我们等待多久,都永远不会到达我们这里。
由暗能量驱动的宇宙加速膨胀,使得这个界限变得更加重要。宇宙学事件视界会继续膨胀,最终稳定在约600亿光年左右。即便如此,我们也无法看到所有事物。来自最遥远星系的光会被红移到极长的波长,以至于这些星系实际上会消失不见。大约1000亿年后,本星系群之外的所有星系都将永远从视野中消失。
改编自最初发表于《对话》的一篇文章。
相关知识
宇宙是时间、空间及其中所有物质与能量的总和,包含恒星、行星、星系、星云等天体,也有暗物质、暗能量这类未完全探明的成分。主流理论认为它起源于约138亿年前的大爆炸,此后不断膨胀演化,其边界和最终命运仍是人类持续探索的重要课题。
BY: Paul Sutter, Universe Today
FY: AI
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