天體物理學家如何測量宇宙的真實大小?

超自然現象探索官 2024-05-02 08:48:35

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讓我們以宇宙大小這個令人震驚的問題爲出發點,真誠地認識到人類的思想面臨著宇宙浩瀚的奧秘。現代科學並沒有關于宇宙極限的明確知識,並且根據物理學領域目前的知識狀況,我們很可能永遠無法得到完整的答案。

然而,研究給出的估計範圍是 28 到 930 億光年,甚至有建議是無窮大。在本文中,我們將討論這些估計是如何獲得的以及它們代表什麽,以及爲什麽無限宇宙的想法存在爭議。

考慮 280 億光年這個數字——准確地說是 276 億光年。這個數字只不過是宇宙可觀測部分的直徑,由我們眼睛能到達的最遠物體決定。爲什麽是這個距離?原因在于光速,真空中的光速爲每秒 299,792,458 米,以更傳統的單位計算約爲每小時 10 億公裏。考慮到宇宙的年齡爲138億年,這是光在整個宇宙曆史中可以傳播的最大距離——因此,這就是我們的“觀測視界”。

在 138 億年的時間裏,太空給我們帶來了許多奧秘和發現。其中一個發現是光年的概念,它被定義爲光在一年內傳播的距離。這個距離大約是9.5萬億公裏。使用這個測量方法,我們可以說我們能看到的最遠物體距離我們 138 億光年。

令人驚訝的是,如果我們從地球上環顧四周,我們會發現光線以相同的最大距離從各個方向到達我們,形成了一個直徑爲 276 億光年的觀察球體,通常簡單地四舍五入爲 280 億光年年。

問題來了,如何假設宇宙有更大的尺寸——930億光年?要回答這個問題,您需要了解宇宙並不是靜止不動的:它正在膨脹。當來自最遠物體的光傳播到我們身上時,它所穿過的空間就增大了。這種膨脹導致後退星系發出的光的波長被拉伸,從而引起所謂的紅移,我們可以通過觀察和測量這種現象來了解這種膨脹的速度和規模。

所有這些都引出了一個驚人的結論:我們所看到的宇宙只是一個更大、不斷演化的宇宙的一小部分,其規模和邊界仍然超出了我們目前的理解。

了解宇宙的大小從一個相對簡單的概念開始:光從宇宙最深處到達我們所需的時間。從這個時候起,科學家就可以估算到光源的距離。然而,當談到紅移時,我們實際上不僅測量距離,還測量宇宙的時間印記:我們看到的光是物體發射時的光,而不是當前狀態的光。因此,我們測量的距離反映的是物體發出光時的過去位置,而不是數十億年宇宙膨脹後的當前位置。

例如,到遙遠星系NGC z13的距離是在考慮紅移的情況下確定的,紅移是正常值的13.2倍。這意味著從這個星系到達我們的光線需要 134.8 億年的時間。我們看到這個星系的曆史,就像它在宇宙誕生之初一樣。在那個曆史時刻,NGC z13 距離我們 134.8 億光年。但考慮到宇宙的膨脹,要了解它現在在哪裏,我們必須做出調整。這些計算得出了一個令人驚訝的數字:目前距 NGC z13 的距離爲 333 億光年。

這種距離測量考慮了宇宙的膨脹,被稱爲同移距離。這與“光傳播距離”不同,“光傳播距離”是基于光到達我們所需的時間。通過了解這兩種不同的測量方法,我們不僅可以更深入地了解宇宙的大小,還可以更深入地了解其動態本質。

在外層空間的研究中,天體物理學家經常依賴紅移現象。這種方法使他們能夠高度可信地確定到宇宙中最遙遠物體的距離。這裏的關鍵指標是紅移指數,它是唯一的變量,消除了與遙遠天體距離的任何不確定性。然而,重要的是要了解,基于紅移的實際距離的計算可能會根據宇宙膨脹率的可接受值而有所不同,因爲科學界尚未就紅移達成共識。這種膨脹的速度——這一事實成爲所謂宇宙學危機的基礎。

所以,如果我們以GS z13星系爲例,我們可以估計過去可觀測宇宙的直徑爲276億光年。然而,考慮到空間的不斷膨脹,宇宙的直徑隨之延伸至令人印象深刻的 930 億光年。

值得注意的是,這些計算僅涉及宇宙的可觀測部分,在宇宙存在的 138 億年中,光有足夠的時間到達地球。然而,還有一些超出可觀察範圍的區域我們一無所知,因爲來自那裏的光還沒有到達我們那裏。這些未知的空間可以隱藏與黑洞事件視界一樣多的秘密,但由于難以逾越的引力屏障,我們無法從中獲取信息。

可觀測宇宙的有限極限讓我們想起了地平線——這個極限蘊藏著我們的眼睛和觀察手段無法觸及的秘密。因此,在我們的宇宙“視野”之外,宇宙中還有一些我們尚無法探索或描述的隱藏區域。這種難以克服的限制使得准確確定外層空間的總大小變得不可能。

當前的宇宙學理論試圖破譯宇宙複雜的幾何形狀和結構,並確定填充其空間的能量總量。也許在未來他們將能夠揭示一切存在的規模。然而,現階段我們只能承認,我們對宇宙大小的認識還沒有達到極限。我們試圖用理論和觀察來涵蓋的最廣泛的物體——宇宙——仍然保持著它的神秘性,提醒我們探索的無限性和自然的不可理解性。

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超自然現象探索官

簡介:致力于超自然現象、星球科普、天體物理學、天文學