为什么说可观测宇宙97%的星系已经和地球失去了

 新闻资讯     |      2020-02-18 01:28

为什么说可观测宇宙97%的星系已经和地球失去了联系?

“在整个宇宙里只存在着一个实体,只是它的形式有各种变化。”——〔法〕拉美特利:《人是机器》


随着宇宙年龄的增长,每时每刻都有无数的星系正在从我们的视野中消失,每时每刻都有大量的信息正在逃离我们的可见宇宙。所以我们经常说以后的人类不会比我们现在看到的更多,这一切都要归咎于加速膨胀的宇宙,正在把一切推离我们的感知范围。那么我们现在能知道有多少可观测宇宙已经消失了吗?为什么说可观测宇宙97%的星系已经和我们失去了联系?我们先来讨论一下事物消失的含义,然后再回到大爆炸的概念上来。


78亿年,宇宙的分水岭!在这之前一切都在减速

大爆炸创造了一个炽热、稠密、不断膨胀的宇宙,而膨胀是时空结构本身的特性。而它里面的物质和辐射会被稀释,密度下降,随着空间体积的扩张,它们之间的距离会越来越远。与此同时,所有的物质和辐射也产生了巨大的引力,试图把宇宙拉回到一起。


这就是数十亿年来宇宙膨胀与万有引力之间的伟大斗争。而我们人类作为观察者一开始并不知道哪一方会赢的胜利。


引力获胜,它会使宇宙达到最大的尺寸,然后逆转膨胀并在“大收缩”中告终?


膨胀获胜,它会导致宇宙永远膨胀,永不停歇,事物之间的距离变得无限遥远,宇宙最终以“大冻结”而告终?


引力和膨胀都没有获胜,正好处在两者之间的情形。在这种情况下,膨胀率无限趋近于零,但不会逆转:一个临界宇宙?也就是说宇宙中哪怕在多一个质子,引力就会逆转宇宙!


虽然以上的宇宙命运彼此非常不同,但它们都有一个共同点。看看今天的宇宙,看看外面的星系。我们所能看到(在可见的极限)的任何一个星系,它所发出的光在穿越巨大的宇宙空间之后才到达我们的眼睛。


在经历了数十亿年的时间,光子孤独地穿行在分隔星系并且不断扩大的空间中。我们也可以认为,光子一直逆流而上,逆着不断膨胀的宇宙空间往前飞行,最终达到地球。


随着时间的推移,在宇宙最初的78亿年里,来自遥远星系越来越多的星光开始追上我们。


为什么这么说呢?


因为在最初的78亿年里,宇宙一直在减速,这意味着即使宇宙在膨胀,即使遥远星系离我们越来越远,但它们远离我们速度越来越慢。结果就是,最初我们肉眼看不见的星系,最终就出现在了我们的视野。


随着时间的推移,越来越多的宇宙变得可见。如果宇宙中只有物质和辐射,那么宇宙中更多的空间将会被我们看到,减速一直继续,唯一的问题是星系的衰退速度是否会:


  • 变成0,反转,开始向我们逼近(大坍缩)。
  • 减少但始终保持正值,永远推行(大冻结)。
  • 渐近趋向于0,永远不会到达0,宇宙也永远不会反转(临界)。

但是,随着宇宙的膨胀,能量密度的持续下降,宇宙向我们揭示了一些不同寻常的事情,也可以说是一个彩蛋:空间本身有一种内在的能量,称为暗能量。


78亿年后,是暗能量的天下,一切都在加速

上图左可以看到宇宙的膨胀对物质、辐射和暗能量的影响,暗能量基本不动,直到物质和辐射密度急剧下降,暗能量的作用才变得清晰可见,从大爆炸到暗能量的影响改变宇宙的膨胀,这一过程花了78亿年。也就是说,在宇宙诞生后的78亿年间,任何观察者都不会发现暗能量的存在,因为那时暗能量的能量密友趣棋牌度还不足以影响宇宙的膨胀方式,只有宇宙的继续膨胀,物质密度下降,暗能量才开始崭露头角,掌控宇宙。因此我们说这真的是宇宙的一个彩蛋、惊喜!


当暗能量密度变得足够大,达到宇宙总能量密度的三分之一时,遥远的星系不再减速,而是开始加速远离我们。这意味着,它们的衰退速度非但没有放缓,反而开始加速了!


那些遥远星系发出的光已经到达地球的仍然会到达地球;加速的宇宙并没有改变这一点。只会让飞行途中的光红移。


但对于许多这样的遥远星系,我们将永远看不到它们发出的新光,在宇宙现在这个年龄之前,我们只能看到它们在很久以前发出的旧光。想想为什么会这样。


为什么说可观测宇宙97%的星系已经和我们失去了联系?

遥远的星系在不断膨胀的宇宙中发出光线。我们和那个星系之间的空间在继续扩大,但光子仍在向我们靠近。由于星系不断地发出光线,现在不仅有光到达我们,将来也会有光到达我们!


但是,想想那个星系今天在哪里。想想膨胀的、加速的宇宙。想想今天的宇宙有多大。


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上图展示了我们可观测宇宙直径大约是920亿光年,包含了至少几千亿个(可能是上万亿个)星系。


可问题是,按照今天的膨胀率,任何距离我们超过140亿光年的星系,我们都不会再接收到这个星系的光线!也就是说这个星系和我们之间的空间正非常快的速度膨胀,以至于今天发出的光子永远也无法到达我们!如果我们计算一个140亿光年半径的球体中包含了多少可观测宇宙,并将其与直径920亿光年的球体进行比较,就会发现我们只与可观测宇宙中大约3%的星系目前扔有联系(存在因果关系),其余星系都永远消失了!


随着时间的推移,越来越多的星系和星系团都将与我们失去因果关系。这并不意味着我们再也看不到它们了,这只是意味着我们再也无法与它们发生交流,它们发出的新光不会达到我们,我们发出的新光也不会达到它们。也就是说,如果我们现在以光速旅行飞向它们,也永远不到达到目的地。


但是我们数十亿年前发出的光可能还能到达它们!就像它们再数十亿年前发出的光能到达我们的眼睛一样:


  • 但这些光的数量是有限的,
  • 而且红移非常高
  • 也会发生时间膨胀,意思是遥远星系的事件在我们看来会非常缓慢,
牛牛

为了探测到这些更遥远的星系,我们需要使用红外望远镜,还得“把快门打开”更长时间增加曝光,才能看到接受到它们以前发出的光线。


如果没有暗能量(如果没有加速或消失的星系),大爆炸可能会以完全相同的方式发生,但我们的宇宙会更小,星系会离得更近,我们会看到更多的星系,它们的红移会更少,宇宙会膨胀得更慢,每个星系的退行都会减速。大量的星系不会从我们的视野中消失,而是随着时间的推移,新的星系会出现在我们视野!


虽然可观测宇宙中没有哪个星系消失到了看不见的地步,但97%的星系消失的原因是它们的新光已经无法到达我们了。星系仍然可见,但只是由于它们的旧光。例如,那些星系此时此刻发生了重大的事件,我们永远都不会知道。


这就是正在消失的宇宙的运作方式,以及星系从我们的视野中消失的真正含义。