930亿光年,可观测宇宙的大小是如何得出来的?

往往谈到宇宙,就离不开讨论那些天文数字,动不动以“亿”来计算,这会在字面上给人一种不愿相信的感觉,总感觉数字是科学家猜出来的,到底是不是猜出来的呢?当然不是了,不仅不是,在计算可观测宇宙的大小,在计算宇宙的年龄,计算过程是相当严谨可靠的,是理论与实际观测相结合的结果,是科学的。

根据目前的科学成果,宇宙的年龄在138.2亿岁左右,可观测宇宙的直径在920-930亿光年左右。在讨论宇宙大小是如何被计算出来的之前,先需要明白什么是可观测宇宙。从字面上来看,可观测宇宙就是可以观测的宇宙,举个例子,人悬在高处,向四面八方、上下左右看去,所能看到的极限范围必然是一个三维的球体,这个三维的球体就是人的可观测范围,说到这里,大家应该明白可观测宇宙是什么意思了吧,可观测宇宙就是人在地球上借助于望远镜向四周看去,所能看到的极限范围,这样的三维球体就是可观测宇宙。

简单来说,就是地球为中心,以465亿光年为半径画一个圆球,这个就是可观测宇宙了。“以地球为中心”,这句话大家不要误会,仅在可观测宇宙中适用。在真实宇宙中,宇宙是去中心的,是没有中心的。

讲完了可观测宇宙,再说大小。我们知道,宇宙自诞生伊始就处在不停地膨胀过程中,且膨胀的速率有快有慢,过去快现在慢。想要知道宇宙的大小,需要知道两个:宇宙的年龄以及膨胀的快慢。

宇宙的年龄。

知道宇宙的年龄,最简单直接的办法,就是找最古老的恒星。幸运的是科学家找到了目前为止所发现的最古老的恒星——HD140283,它的年龄约为132亿岁,由于恒星的诞生日期被认为是宇宙大爆炸之后的第5亿年左右,所以很直观的数字计算表明,宇宙的年龄肯定要大于137亿岁。后来,科学家根据普朗克卫星的观测数据计算出来了哈勃常数,代入了Λ-冷暗物质(ΛCDM)模型,之后求得了宇宙的年龄在137.99±0.21亿岁,这与之前的观测数据相差不大,于是138.2亿岁就出炉了。

哈勃常数是什么呢?

上世纪二十年代,美国天文学家哈勃发现了宇宙正在膨胀,距离地球较远的星系都在远离地球,离得越远,远离的速度就越快,距离与远离速度之间大致恒定的比例就是哈勃常数。

知道了宇宙的年龄以及更为精确的哈勃常数,那么可观测宇宙的大小就很容易代入数学模型就计算出来了,即半径为465亿光年,直径930亿光年。

实际上,其中详细的计算过程与需要的数据远远比我叙述的要复杂得多,晦涩难懂的公式让人头皮发麻,下面的公式就是Λ-冷暗物质(ΛCDM)模型了。

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