宇宙有6543.8+038亿年的历史。
因为宇宙一直在以超光速膨胀,而宇宙以超光速膨胀并没有违反任何物理定律。爱因斯坦的相对论指出,天空中的光速是宇宙中物体运动速度的极限,也就是说静止质量的物体运动速度不能超过光速,但并没有规定空间的膨胀速度不能超过光速。我们的宇宙之所以这么大,是因为空间在以超光速膨胀。
20世纪20年代,美国天文学家埃德温·哈勃发现河外星系正在远离我们。河外星系的视回归速度与距离成正比,离我们越远,星系的回归速度越快。根据美国国家航空航天局公布的最新测量结果,星系每远离我们326万光年,退行速度每秒增加74公里。
上图是埃德温·哈勃。
哈勃的发现让我们意识到宇宙正在膨胀。而且可以推断,在很久以前,宇宙中星系之间的距离更近,物质密度更高,所以早期宇宙可能是从一个原始的火球中诞生的,这为大爆炸理论提供了有力的证据。
星系之所以相互远离,是因为空间在膨胀,而不是因为星系的运动。我们可以这样理解空间的膨胀。相信很多人都吹过气球。当气球膨胀时,气球上任意两点之间的距离都被拉起,空间的膨胀与其类似,所以宇宙并不存在于一个特殊的膨胀中心。把气球上的点换成星系,这样就很容易理解为什么星系之间距离很远了,而且距离越远,距离越快。
如上图所示,宇宙像气球一样膨胀。
通过对遥远超新星的观测,科学家发现宇宙不仅在膨胀,目前还在加速膨胀。发现该研究成果的三位天体物理学家也分享了2011年诺贝尔物理学奖。宇宙加速膨胀的原因是什么?科学家认为这与暗能量有关,暗能量占宇宙总质量能量的68%。
上图是宇宙的膨胀。
天体离我们那么远,科学家怎么知道空间在膨胀,而不是星系在相互远离?哈勃通过星系光谱发现河外星系离我们很远。哈勃发现河外星系的谱线会向红端移动,离星系越远,红移越大,这就是所谓的宇宙学红移。红移的原因是空间的膨胀拉长了光波。
这种红移的原因是空间的膨胀而不是星系的距离。
光谱红移有三种原因,包括多普勒红移、宇宙学红移和引力红移。多普勒红移是观测者与光源的距离造成的;宇宙红移是由空间膨胀引起的;引力红移是引力源作用产生的,需要黑洞级别的引力源才能产生明显的红移现象。在近区,由于星系明显的视运动,很难区分多普勒红移和宇宙学红移,两者造成的谱线差异只能在相当远的距离(几亿光年以上)才能分辨出来。
正是因为上述发现,证明了空间在膨胀,而不是星系在远离。我们不在宇宙的中心,任何观测的结论都是星系在相互远离,我们看到的这种现象是空间膨胀造成的。
为什么宇宙的膨胀在星系内部无法被探测到?那是因为在几百万光年的小尺度范围内,引力的强度远远大于迫使空间膨胀的力,只有在大尺度范围内,我们才能看到天体相互远离。
正因为如此,星系内部无法观测到宇宙的膨胀,星系在引力的作用下保持稳定。虽然宇宙在膨胀,但是仙女座和银河系在引力的作用下相互靠近。根据科学家的预测,30多亿年后,仙女座菌株和银河系将会碰撞融合,形成一个更大的星系。
为什么哈勃体积的直径是930亿光年?最早的光从宇宙诞生开始传播,以光速在宇宙中穿行了654.38+03.8亿年才到达我们的眼前。正是由于空间的超光速膨胀,光在仅仅100多亿年的时间里就走过了数百亿光年。根据宇宙大爆炸的理论模型,在电磁波范围内,哈勃体积的直径为922亿光年。
根据大爆炸理论,在宇宙诞生以来的38万年里,宇宙仍然处于混沌状态,物质密度非常高,光无法自由传播。这意味着在此期间不可能观察到情况。即使在这么短的时间内,宇宙也膨胀了8亿光年,因为宇宙正处于快速增长期。这段时间需要引力波来观察情况。
如图所示,天体之间的引力相互作用在空间中引起涟漪,形成引力波,并向远处传输。
所以哈勃体积的总直径是930亿光年。算上不可观测的部分,宇宙的实际大小肯定要大得多。
如果未来宇宙膨胀继续加速,那么总有一天,星系会变得如此遥远,以至于附近其他星系的光永远不会被我们观测到,宇宙会变得黑暗而死气沉沉。
热爱科学的朋友们,欢迎关注我。