可观测宇宙

Hubble Volume

可观测宇宙(也称为哈勃体积)是一个以观测者作为中心的球体空间,小得足以让观测者观测到该范围内的物体。现在哈勃体积半径约为460亿光年。

宇宙的大小,又叫做哈勃体积。

理论上说,既然宇宙是在100-200亿年前的大爆炸中诞生的,空间从“宇宙原点”以光速扩展开来,其光辐射是以一个球体形式传播的,那么,现在宇宙的半径尺度应是100-200亿光年。你可以观测到的最远距离也就是自大爆炸以来光辐射所行进到目前的最远距离大约是120~150亿光年,即10的26~27 次方米,(注意:这是个动态的概念,其每一秒都在不断拓展中) 以该距离为半径(即:哈勃半径,注意不是哈勃望远镜的观测半径。)的球体正好定义了我们可观测‘视界’的大小,或者简单地说,我们这片宇宙的大小,知道半径当然可以算出体积,所以其体积又叫做哈勃体积或称为哈勃空间。 请注意一点:只要受光速的制约(红移的加速率),我们的“观察球”(已观测到的宇宙范围)永远小于“视界”(可观测到的宇宙范围,即:哈勃空间。)

可观测宇宙之外

在宇宙大爆炸之后,一些宇宙的部分可能由于距离地球太远,导致了其发出光线到现在为止也未能到达地球,所以这部分的宇宙可能现在也在可观测宇宙之外。在未来,远处的星系发出的光线将会拥有更长的时间来穿越时空,所以现在我们不能观测到的一部分宇宙将会在未来被观测到。然而,由于哈勃定律,一些离我们足够远的宇宙区域将会以超越光速的速度远离我们(狭义相对论阻止了相邻的物体在同一局部区域不可以以相对另一个物体超越光速运动,但是对于正在膨胀中的时空中遥远的物体却没有如此限制),并且暗能量导致了宇宙在加速膨胀,假设暗能量保持不变,那么宇宙膨胀的速度持续增加,那么就会存在一个“未来可见极限”,超过这个极限的物体将永远不能被我们所能观测到,因为这个物体发出的光线在这个极限之外。(一个微妙的情形在于,由于哈勃参数不断地随时间减少,那么就会存在一种场景,一个正好比光快一点远离我们的星系可能恰好能把光线传递到我们这儿)。“未来可见极限”计算给出的是共动距离为190亿秒差距(约合620亿光年),意味着我们可以在无尽的未来中看到的星系数目最多只能比现在看到的星系多出2.36倍。(出了一些由于红移而不可以被观测到的,如下一段所述)。尽管原则上更多的星系将会在未来被观测到,实际上更多的星系将会由于不间断的膨胀而红移太多以至于它们将会看上去在视野里消失,并且不能被观测到。一个微妙之处在于如果我们能够认定一个可观测宇宙中处于给定共动距离的星系,必须要求在它的过去能够发出我们可以接收到的光线。(比如一个在宇宙大爆炸之后5亿年形成的早期星系),但是由于宇宙膨胀,在该星系的可能接下来的历史时期它所发出的信号就不能够在无限的未来到达我们这儿并被接收。尽管它仍然在同样的共动距离,并且比可观测宇宙的共动距离要短。这种现象可以被用来定义一种距离随时间变化的宇宙事件视界的类型,比如,现在的这种视界仅仅有160亿光年,意味着一个目前在160亿光年内发生的事件可以在未来被我们接受,但是超过160亿光年以外的事件如果现在发生就永远不会被我们知道了。不论是通俗和专业的宇宙学领域研究文献经常用“宇宙”来代替“可观测宇宙”,这有着一个根本上的充足理由:我们可能永远不会通过直接实验方式得知与我们不能联络的宇宙部分的信息。尽管相当多的可行的理论需要一个比可观测宇宙大很多倍的可观测宇宙。没有证据存在解释了可观测宇宙的边界就是整个宇宙的事实边界,同样也没有一种主流的宇宙学模型首先假设宇宙拥有可被认可的物理形式的边界,尽管一些模型猜测宇宙是有限但是无界的,正如三维空间里的一个二维球面,它有有限的面积但却是无边的。看上去很可能可观测宇宙内的星系仅仅代表了宇宙中星系的极小一部分。根据宇宙膨胀理论和他的创立者Alan Guth, 如果假设膨胀发生在宇宙诞生后的10 秒,那么根据这个看上去合理的假设,这时期的宇宙大小和光速乘以其年龄一样大。这就意味着整个宇宙的大小可能是可观测宇宙的10倍。如果宇宙是有限但是无界的,这就意味着宇宙小于可观测宇宙的大小。在这种情况下,我们看上去很远的星系可能是临近星系的假象,它们是由于光线绕宇宙一周所产生的幻象。这个假说十分难以检测因为星系在不同的年龄阶段是不相同的,甚至完全不一样。一个2004年的文献认为宇宙的大小仅仅只有780亿光年,这个可能是最小的宇宙尺度,甚至低于可观测宇宙的大小。这个结果得益于对于WMAP(一个人造天文卫星)的数据处理结果,这个方面的研究在被激烈的争论着。

可观测宇宙的大小

通常人们认为宇宙的直径是290亿秒差距,约合930亿光年,假设宇宙是平滑的,那么这就意味着宇宙的体积有3.5 ×10立方米,大约是4.1×10立方光年那么大。在宇宙学时间中,这些数据是现在的距离,不是光线发出时刻的距离。比如,宇宙微波背景辐射所发出的去耦光子在大爆炸之后的38万年后发出,大约发生在137亿年前,这些辐射是被一些后来绝大多数形成了星系的物质所发出,并且这些星系现在已经离我们460亿光年之遥。为了估计光线在它们发射时刻到我们这里的距离。(以下详细推导简略),通过红移和宇宙学公式,尽管它们现在离我们有460亿光年,但是当时它们离我们仅仅只有4200万光年之远。(附加内容: 之所以天文学家会得出宇宙的半径是470亿光年,这是由于时空膨胀的结果,宇宙在不断膨胀,并且这一点发生在宇宙的每一个角落,如同一个不断膨胀的气球表面,任意两个点之间的距离是不断增加的,所以物质之间的距离在不断增加,而且在不同时间内,变化的速度并不相同,这是由于随着距离增加,互相远离的二者,远离速度反而越来越快。尽管光线传播到我们这里需要137亿光年,但是同时发出光线的光源却在与我们相反的位置走了更远。如果想要计算此时的光源与我们的距离,需要一些天文学公式和积分计算,一个简单的近似,对于遥远的天体,可以简单的认为距离D=3ct,这样就能大致上得到D=137亿年*3*c约等于500亿光年的结果。)

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