可观测宇宙直径930亿光年,这个范围到底是咋来的?

可观测宇宙

要理解“可观测宇宙”这个概念,我们得先从一个观念说起。我们举个常见的例子:照镜子。

虽然看着是简单的照镜子,但你想过没有,镜子里面真的是你么?或者可以这么问,镜子里的你是现在的你么?

如果你仔细思考一下这个问题,得出的答案很简单,镜子里的你其实是过去的你。

之所以会这样,是因为“光速”,你的脸到镜子,以及镜子的像再到你的眼睛里,是有一段距离的,而光走过这段距离是需要时间的。因此,你看到的其实是过去的自己。通过这个简单的例子,我们就会发现一个问题,如果我们是通过光(电磁波)来进行观测的,那么,我们能观测到的距离和时间是有关系的,时间越长,能观测到的距离就越长,简单来说就是距离等于光速乘以时间。

那可观测宇宙是什么意思呢?说白了就是人类理论上所能看到的最大的范围。我们现在也知道,宇宙并非是永恒的,而是有一个开端,被我们称为宇宙大爆炸。

这个事情发生在138亿年前,也就是说,如果从这个时间算起,通过光速乘以时间,我们可以知道,我们可观测到的范围是以138亿光年为半径的宇宙。意思是说,我们能看到最远的光,它距离我们138亿年光年的恒星发出的光,这时候恰好能达到地球被我们观测到。

不过呢,事情远没有这么简单,这么说吧,目前我们通过观测和计算得到的可观测宇宙的半径是465亿光年,这也要远大于138亿光年,那为什么会这样呢?

宇宙的膨胀效应

这其实是因为宇宙在膨胀,这个膨胀是空间膨胀,宇宙部位的空间都在以同样的方式等比例地膨胀。这就会使得光从远处传播过来的距离变长的,所需的时间也就长了,就像下图这样,可能星系在早期宇宙距离我们1万光年的距离,这个时候已经距离我们10万光年了。

(当然实际要比这夸张多了,我们能看到的最远的光,其实早期只距离我们地球只有4200万光年。)

于是,我们不得不把宇宙的膨胀效应考虑在内。但同时还存在一个问题,宇宙早期是不透明的,光子一直和各种粒子互相乱撞,没有办法自由的在宇宙空间中传播开来,主要的原理就是温度特别高,这有点类似于我们现在说的等离子态。

随着温度逐渐下降,到宇宙38万岁时,这时候光子才开始在宇宙中传播,也就是说,我们能够计算得到的结果,是从宇宙大爆炸之后的第38万年至今的情况。这个通过计算可以得到的结果是半径为461亿光年。

引力波和中微子

你会发现,这个结果和最终的465亿光年还相差了4亿光年,那到底是咋回事呢?

其实,虽然通过光子已经无法观测到宇宙早期的前38万年,但这并不意味着我们就永远看不到了。我们还有其他的办法,那就是引力波和中微子。

引力波是不会受到早期宇宙中物质的状态所影响的,它从宇宙大爆炸之后就开始在宇宙中传播,根本不需要等到38万年后。而中微子也是宇宙早期形成的粒子,由于它不参与强相互作用力和电磁力。因此,中微子具有超强的穿透力,所以它类似于引力波一样,可以在宇宙大爆炸之后不到一秒的时间内就开始在宇宙传播了。

由于引力波和中微子的出现,我们可以再把前38万年的时间也考虑在这内,当然也要把空间膨胀也考虑在内,这就得得出4光年的结果,也才有后来的可观测宇宙半径465亿光年的结果。

最后,我们来总结一下,我们目前能看到的可观测宇宙半径是465亿光年,其中461亿光年是考虑了宇宙膨胀以及温度的问题,我们理论上可以看到的宇宙早期的光是从当时距离地球位置4200万光年处发出的,由于宇宙膨胀效应,如今它距离我们461亿光年。但这也只是宇宙38万岁时发出的光,如果通过观测引力波和中微子,它们从宇宙诞生之初就开始在宇宙传播了,那这个距离就可以再进行延伸,延伸4亿光年,加起来就是465亿光年。