可觀測宇宙

可觀測宇宙

可觀測宇宙(也稱為哈勃體積,英語:Hubble Volume)是一個以觀測者作為中心的球體空間,小得足以讓觀測者觀測到該範圍內的物體,也就是說物體發出的光有足夠時間到達觀測者。現在可觀測宇宙半徑約為460億光年。

  • 中文名稱
    可觀測宇宙
  • 外文名稱
    Hubble Volume
  • 別稱
    哈勃體積
  • 實質
    以觀測者作為中心的球體空間

可觀測宇宙

可觀測宇宙(也稱為哈勃體積,英語:Hubble Volume)是一個以觀測者作為中心的球體空間,小得足以讓觀測者觀測到該範圍內的物體,也就是說物體發出的光有足夠時間到達觀測者。現在可觀測宇宙半徑約為460億光年。

"可觀測"在這個意義上與現代科技是否容許我們探測到物體發出的輻射無關,而是指物體發出的光線或其他輻射可能到達觀測者。實際上,我們最遠隻能觀測到宇宙從不透明變為透明的臨界最後散射面(surface of last scattering),但我們可能能夠從重力波的探測推斷這個時間之前的信息。

概述

可觀測宇宙是一個天文學名詞,以下解釋全部來自于維基百科英文版。在文中有大量的天文專有名詞和多種宇宙學模型,不一一贅述和解答。

在大霹靂宇宙學中,可觀測宇宙包括了人類今天可以在地球上觀測的所有的星系和其他的物質。這是因為在宇宙膨脹開始了以後,光線和其他的信號必須經歷漫長的時間才能被我們接受。假設宇宙是各項同性(各個方向上相同),那麽宇宙大體上在各個方向上其邊界都相同--意味著可觀測宇宙是一個以觀測者為球心的球體。不考慮宇宙的實際形狀,宇宙的每一點都有一個自己的可觀測宇宙,它可能和地球上的可觀測宇宙重合也可能不重合。

"可觀測"這個名詞的意思意味著它不是依賴于現代技術的探測能力,它僅僅代表著理論上光線或是其他信號從物體到觀測者的可能。事實上,我們僅僅可以觀測到(宇宙大霹靂的)再復合紀元時刻的光子解耦(光子逃逸),在那個時刻粒子第一次可以發射不被其他粒子再吸收的光子。在這之前,宇宙是一個對光子不透明的電漿。在這一時刻粒子之間剛好有著足夠的距離,所以光子能夠從"最後散射面"被發射出來並且能被今天的我們所接受。並且形成了今天我們可以接收到的宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation)。但是,如果在今後我們可以觀測到"中子背景"或者更深的"引力波",那麽我們可能得到比現在的可觀測宇宙更遠的距離,甚至可能包括宇宙大霹靂時刻的信息。目前的CMBR共動距離代表了宇宙的半徑,計算得出為140億秒差距(大約457億光年),而目前的可觀測宇宙的邊界計算得出的結果是143億秒差距(大約466億光年),大了將近2%。

宇宙的年齡計算結果為137.5億年,但是由于宇宙膨脹,我們現在觀測一些最開始十分接近但是現在卻被認為遠比137.5億光年遙遠的天體,(依據宇宙的固有距離,在同時刻和共動距離等效)。可觀測宇宙的直徑大約為280億秒差距,大約930億光年,可觀測宇宙的半徑大約有460到470億光年之遙。

通常情況下,人們常常把137億光年當做宇宙的大小,人們想當然的認為宇宙中既然沒有比光更快的物質,那麽把137億光年當做宇宙大小是合情合理的。但是,這一點未能考慮到宇宙並不是平滑,靜止,而且符合閔可夫斯基時空的狹義相對論的。事實上宇宙時空由于膨脹而變得彎曲,正如哈勃定律揭示的那樣,光的速度乘以宇宙時間間隔事實上並沒有真正的物理意義。

宇宙和可觀測宇宙

不論是通俗的還是專業的研究文章都會使用"宇宙"一詞指代"可觀測宇宙",因為我們不可能知道任何與我們沒有因果關系的事物。但至今沒有發現指出"可觀測宇宙"等同于整個宇宙。此外,宇宙也可能比可觀測宇宙小。在這個情況下,觀測者認為距離很遠的天體,其實隻是一個較近的天體發出的光環繞著宇宙移動而產生的復製影像。但這個理論很難被驗證,因為天體的不同影像可能處于不同的時代,外貌因而大不相同

​宇宙

在宇宙大霹靂之後,一些宇宙的部分可能由于距離地球太遠,導致了其發出光線到現在為止也未能到達地球,所以這部分的宇宙可能現在也在可觀測宇宙之外。在未來,遠處的星系發出的光線將會擁有更長的時間來穿越時空,所以現在我們不能觀測到的一部分宇宙將會在未來被觀測到。然而,由于哈勃定律,一些離我們足夠遠的宇宙區域將會以超越光速的速度遠離我們(狹義相對論阻止了相鄰的物體在同一局部區域不可以以相對另一個物體超越光速運動,但是對于正在膨脹中的時空中遙遠的物體卻沒有如此限製),並且暗能量導致了宇宙在加速膨脹,假設暗能量保持不變,那麽宇宙膨脹的速度持續增加,那麽就會存在一個"未來可見極限",超過這個極限的物體將永遠不能被我們所能觀測到,因為這個物體發出的光線在這個極限之外。(一個微妙的情形在于,由于哈勃參數不斷地隨時間減少,那麽就會存在一種場景,一個正好比光快一點遠離我們的星系可能恰好能把光線傳遞到我們這兒)。"未來可見極限"計算給出的是共動距離為190億秒差距(約合620億光年),意味著我們可以在無盡的未來中看到的星系數目最多隻能比現在看到的星系多出2.36倍。(出了一些由于紅移而不可以被觀測到的,如下一段所述)。

盡管原則上更多的星系將會在未來被觀測到,實際上更多的星系將會由于不間斷的膨脹而紅移太多以至于它們將會看上去在視野裏消失,並且不能被觀測到。一個微妙之處在于如果我們能夠認定一個可觀測宇宙中處于給定共動距離的星系,必須要求在它的過去能夠發出我們可以接收到的光線。(比如一個在宇宙大霹靂之後5億年形成的早期星系),但是由于宇宙膨脹,在該星系的可能接下來的歷史時期它所發出的信號就不能夠在無限的未來到達我們這兒並被接收。盡管它仍然在同樣的共動距離,並且比可觀測宇宙的共動距離要短。這種現象可以被用來定義一種距離隨時間變化的宇宙事件視界的類型,比如,現在的這種視界僅僅有160億光年,意味著一個目前在160億光年內發生的事件可以在未來被我們接受,但是超過160億光年以外的事件如果現在發生就永遠不會被我們知道了。

不論是通俗和專業的宇宙學領域研究文獻經常用"宇宙"來代替"可觀測宇宙",這有著一個根本上的充足理由:我們可能永遠不會通過直接實驗方式得知與我們不能聯絡的宇宙部分的信息。盡管相當多的可行的理論需要一個比可觀測宇宙大很多倍的可觀測宇宙。沒有證據存在解釋了可觀測宇宙的邊界就是整個宇宙的事實邊界,同樣也沒有一種主流的宇宙學模型首先假設宇宙擁有可被認可的物理形式的邊界,盡管一些模型猜測宇宙是有限但是無界的,正如三維空間裏的一個二維球面,它有有限的面積但卻是無邊的。看上去很可能可觀測宇宙內的星系僅僅代表了宇宙中星系的極小一部分。根據宇宙膨脹理論和他的創立者Alan Guth, 如果假設膨脹發生在宇宙誕生後的10 秒,那麽根據這個看上去合理的假設,這時期的宇宙大小和光速乘以其年齡一樣大。這就意味著整個宇宙的大小可能是可觀測宇宙的10倍。

如果宇宙是有限但是無界的,這就意味著宇宙小于可觀測宇宙的大小。在這種情況下,我們看上去很遠的星系可能是臨近星系的假象,它們是由于光線繞宇宙一周所產生的幻象。這個假說十分難以檢測因為星系在不同的年齡階段是不相同的,甚至完全不一樣。一個2004年的文獻認為宇宙的大小僅僅隻有780億光年,這個可能是最小的宇宙尺度,甚至低于可觀測宇宙的大小。這個結果得益于對于WMAP(一個人造天文衛星)的資料處理結果,這個方面的研究在被激烈的爭論著。

大小

通常人們認為宇宙的直徑是290億秒差距,約合930億光年,假設宇宙是平滑的,那麽這就意味著宇宙的體積有3.5 ×10立方米,大約是4.1×10立方光年那麽大。

在宇宙學時間中,這些資料是現在的距離,不是光線發出時刻的距離。比如,宇宙微波背景輻射所發出的去耦光子在大霹靂之後的38萬年後發出,大約發生在137億年前,這些輻射是被一些後來絕大多數形成了星系的物質所發出,並且這些星系現在已經離我們460億光年之遙。為了估計光線在它們發射時刻到我們這裏的距離。(以下詳細推導簡略)通過紅移和宇宙學公式,盡管它們現在離我們有460億光年,但是當時它們離我們僅僅隻有4200萬光年之遠。

(附加內容: 之所以天文學家會得出宇宙的半徑是470億光年,這是由于時空膨脹的結果,宇宙在不斷膨脹,並且這一點發生在宇宙的每一個角落,如同一個不斷膨脹的氣球表面,任意兩個點之間的距離是不斷增加的,所以物質之間的距離在不斷增加,而且在不同時間內,變化的速度並不相同,這是由于隨著距離增加,互相遠離的二者,遠離速度反而越來越快。盡管光線傳播到我們這裏需要137億光年,但是同時發出光線的光源卻在與我們相反的位置走了更遠。如果想要計算此時的光源與我們的距離,需要一些天文學公式和積分計算,一個簡單的近似,對于遙遠的天體,可以簡單的認為距離D=3ct,這樣就能大致上得到D=137億年*3*c約等于500億光年的結果。)

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