人类所有能看到的最远距离是460亿光年

2019-03-07 09:30:39来源:茶马星球视野  

尽管大爆炸已经过去数十亿年了,但关于我们宇宙中的天体观测范围还是有极限的。宇宙一直在膨胀,但这种扩张速度既有限又充分。如果我们要计

尽管大爆炸已经过去数十亿年了,但关于我们宇宙中的天体观测范围还是有极限的。宇宙一直在膨胀,但这种扩张速度既有限又充分。如果我们要计算宇宙大爆炸发生时,发射的光子到今天能走多远,我们就会知道在任何方向上,人类所有能看到的最远距离是460亿光年。

这是我们可以观测到的宇宙的大小,它包含了大约两万亿个处于不同演化发展阶段的星系。但除此之外,应该有更多的宇宙在我们目前所能看到的范围之外,它们就是不可观测的宇宙。鉴于我们对于可观测的宇宙部分进行了很好的测量,我们也终于逐渐明白可观测宇宙之外的世界,以及未来我们究竟能够探索多少未知的宇宙部分。

大爆炸告诉我们,在遥远的过去,宇宙比现在更热,密度更大,膨胀速度更快。我们在整个宇宙中看到的各个方向的恒星和星系之所以存在,只是因为宇宙膨胀和冷却,它们使得引力将物质拉成团块。数十亿年来,引力的增长促进了恒星的诞生和星系的形成,进而构成我们今天看到的宇宙。

无论我们往哪个方向看,我们看到的宇宙都在告诉我们同样的宇宙故事。但这个故事的一部分是,我们看得越远,我们回顾的时间就越远。宇宙最初并不存在,也没有恒星和星系,只是一个奇点。根据大爆炸理论以及支持该理论的观测,宇宙有一个起源。

在大爆炸之后的早期阶段,宇宙充满了各种各样的成分,它以令人难以置信的快速初始膨胀速率开始。宇宙万物的初始膨胀速率和引力效应,是终极宇宙竞赛中两个正面交锋的参与者。一方面,膨胀的作用是导致一切东西分离,拉伸空间的结构,驱动星系和宇宙的大规模结构。但另一方面,引力吸引了所有形式的物质和能量,努力将宇宙拉回到一起。正常物质、暗物质、暗能量、辐射、中微子、黑洞、引力波等等都在不断膨胀的宇宙中发挥着作用。

宇宙的膨胀速率开始时很大,但随着宇宙的膨胀而逐渐减小。原因很简单:宇宙膨胀时,体积增大,因此能量密度减小。随着密度的减小,膨胀率也随之降低。曾经距离我们太远以至于我们无法看见的光,现在可以追上我们了。这个事实对宇宙有着巨大的影响: 随着时间的推移,曾经太遥远以至于我们无法看到的星系将会自发地进入我们的视野。自宇宙大爆炸发生以来可能有138亿年,但随着宇宙的扩张,有一些远在461亿光年远的天体,它们的光刚刚到达我们这里。

总而言之,如果我们把这个空间中存在的所有星系加起来,我们会发现在我们可观测的宇宙中有多达两万亿的星系。尽管这个数字很大,但它仍然是有限的,我们的观测结果并没有显示出我们所看到的任何方向的空间边缘。自大爆炸以来所过去的时间,光速,以及我们宇宙中的成分决定了可观测事物的极限。任何比这更远的东西,甚至是从大爆炸的那一刻起就以光速移动的东西都没有足够的时间到达我们。但所有这些都会随着时间而改变,那些无法触及我们的光线最终会到达我们的眼睛,揭示出比以往任何时候都更多的宇宙。

你可能会认为,如果我们等待任意长的时间,我们就能看到任意远的距离,宇宙的可见范围是没有限制的。然而在一个暗能量的宇宙中,情况并非如此。随着宇宙的老化,膨胀率不会降至越来越低,以至于接近于零。相反空间结构本身仍然存在有限且重要的能量。随着时间的推移,在一个暗能量的宇宙中,那些最遥远的物体将会越来越快地从我们的视角中退去。尽管还有更多的宇宙有待发现,但我们能观测到的未知宇宙的数量是有限的。

根据膨胀率,我们所拥有的暗能量,以及目前宇宙的宇宙学参数,我们可以计算未来的可见极限: 人类能够观测到的最大距离。现在在一个138亿年的宇宙中,我们目前的可见极限是460亿光年。我们未来的可见极限范围大约要多33%,那就是610亿光年。现在有很多星系,它们发出的光正在到达我们眼中的路上,但是还没有机会到达我们的眼睛。如果我们把宇宙中我们将来会看到但现在还无法到达的部分的所有星系加起来,我们可能会震惊地发现,在可观测的2万亿个星系之外,还有另外2.7万亿个星系在期待展示它们的光芒。

与我们的未来相比,我们目前只能看到未来总观测量43%的星系。除了我们可观察到的宇宙之外,还有一个不可观察的宇宙,它应该看起来就像我们能看到的部分一样。我们可以通过观察宇宙微波背景和宇宙的大尺度结构来确定它们的存在。如果宇宙的大小是有限的,它应该有边界,或者当我们看更远的距离时,它的性质开始改变,我们对这些现象的测量将会揭示这一切。已观测到的宇宙空间平坦度告诉我们,它既不是正向也不是负向弯曲,精确度高达99.6%,这意味着如果它自身弯曲,这个不可观测的宇宙至少是目前可见部分的250倍。

我们将永远无法看到这些非凡的遥远距离的东西。未来的可视度极限只能把我们带到目前610亿光年处的距离,但不会更远。这样的空间将是我们今天所能观测到的宇宙体积的两倍多一点。另一方面,这个不可观测的宇宙,直径至少有23万亿光年,包含的空间体积是我们能观测到的体积的1500万倍。

然而在我们思考超越观测极限宇宙的同时,值得注意的是,我们实际上能够进入或访问的宇宙是相当的渺小。我们所期待看到的一切都是基于数十亿年前大爆炸不久发出的光。就目前的情况来看,即使我们现在以光速立即离开,我们也无法到达整个宇宙中绝大部分星系。

暗能量不仅使宇宙膨胀,而且使遥远的星系在远离我们的明显衰退中加速。虽然未来我们可能观测到610亿光年远范围内的星系,它们的总数多达4.7万亿,但我们今天能够实现观测的星系极限要小得多,只是那些大约150亿光年以内的星系,或者说未来可见范围半径的四分之一可以到达,总数相当于大约只有660亿个星系。这个数字只是我们所能观测的星系总数的1.4%。换句话说,在未来,我们总共会看到4.7万亿个星系。他们中的大多数出现在我们面前时,是它们在非常遥远的过去的样子。他们中的大多数也绝不会看到我们今天的样子。在未来我们能够看到的所有星系中,其中有4.634万亿个星系,即使以光速前进也永远无法到达。

您可能会注意到一个有趣的现象。未来的可观测极限正好等于当前的可见极限(460亿光年)和可到达极限(150亿光年)的总和。这不是巧合,在宇宙大爆炸后旅行了460亿光年之后,那些终将触及我们的光线恰好处于可达到的极限。在遥远的某一天,它将到达我们的眼睛。随着时间的流逝,我们也将会越来越接近我们的终极宇宙视角。

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