从最遥远的星系看宇宙,宇宙是什么样子?和今天看到的一样吗?

"远观品质,近观缺陷"——维克多·雨果

到目前为止宇宙中已知最遥远的星系距离我们大约330亿光年,位于天炉座的UDFj-39546284。为了探测到遥远的星系,我们用功率最大的太空望远镜(哈勃和斯皮策)进行了专门的红外波段观测。值得注意的是,我们从遥远星系身上探测到的光(我们在红外线中探测到的光)实际上一开始是在光谱的紫外部分发出的!

只有在宇宙发生了巨大的膨胀和红移,再加上光已经传播了大约134亿年,我们才能在红外波段接收到这些光线。考虑到宇宙本身只有138亿年的历史,当我们观察这个星系的时候,我们不仅仅是在宇宙中寻找一个遥远的天体,我们也在对宇宙的历史进行了一次惊人的回顾。

如题所问,如果我们以某种方式到达那个遥远的星系,并从那里开始眺望宇宙,我们会看到什么?

无论如何我们还是生活在一个星系(或原始星系)中,看到夜空也是充满了恒星。但当我们遥望星系之外会发现什么?

银河系是我们本星系群中的第二大星系,本星系群距离室女座超星系团核心约5000万到6000万光年,室女座星系团是宇宙大尺度结构中众多超星系团中的一个小密度星系团,在银河系我们看到了UDFj-39546284星系,目前最遥远星系的记录保持者。如果我们不是在银河系中诞生的智慧生命,而是在UDFj-39546284中诞生呢?我们会看到什么?

从某些方面来说,我们看到的与我们今天在银河系看到的非常相似。

我们仍然生活在一个有着138亿年历史的宇宙中,我们仍然生活在一个有着同样比例的暗物质、暗能量、普通物质和辐射的宇宙中,我们仍然生活在一个物质按照我们今天所观察到的同样的规律和模式聚集的宇宙中,我们仍然生活在一个有着与我们所观察到的宇宙微波背景相同的波动模式和温度光谱(2.73 K)的宇宙中。我们仍然会在自己的星系中看到各种各样的恒星类型、行星、星团、球状星团和星系。所有在大规模尺度上的事情是一样的。

但一些重要的细节会大不相同。

首先,宇宙微波背景中的冷点和热点的分布模式会完全不同。我们现在在银河系看到的温度分布模式取决于我们所处的位置和我们所处的时间;在任何其他地点和任何其他时间(以大约117000年的增量或大约117000光年的距离),我们看到的模式将与现在的模式完全无关。但是我们会看到相同的波动频谱,但微波辐射的个别细节,在哪里是热的,在哪里是冷的,将与我们现在看到的完全不同。

另一方面,我们现在看到的原星系UDFj-39546284,很有可能随着时间的推移已经演变成一个巨大的椭圆星系,它可能是其附近体积最大、质量最大的星系之一。在一个巨大的椭圆星系里(比如梅西耶60),天空看起来会和我们银河系里的天空大不相同,这是一个巨大的差异。

如果我们从UDFj-39546284星系往相反的方向看,我们就会看到134亿年前的银河系。我们会看到什么呢?最有可能的是,一个非常微弱的小原始星系集合,它们每一个都比今天的银河系小得多。因为银河系很可能是通过一系列较小星系的合并演变而来的,其中许多星系都非常古老。即使是现有最强大的望远镜技术也需要显著的技术改进,才能探测到银河系,但如果我们能做到的话,我们就能看到数百个小型原星系,可能还会看到成千上万个围绕着银河系的球状星团,它们最终都会成为银河系的一部分。

更有趣的问题是,如果我们不是在宇宙大爆炸后的138亿年,而是回到宇宙只有3.7亿年历史的时候(宇宙现在年龄的2.6%),宇宙会是什么样子的?上图是哈勃极深视野,我们看到宇宙的最深处。我们现在凝视着黑暗的深渊,避开所有已知的星系,上图就是长时间曝光的结果。

如果我们能够绕过宇宙3.7亿年UDFj-39546284原星系中的恒星,知道我们会看到什么吗?

在原星系的恒星之外,几乎看不到别的东西。这并不是因为此时的宇宙还没有形成恒星和原始星系,而是因为宇宙中仍然充满了中性阻挡光线的气体和尘埃,除了一些离我们很近的电离区,宇宙的大部分对可见光来说还是不透明的。宇宙要经过许多代恒星,接近10亿年的时间才能使宇宙完全重新电离;在我们看到目前的纪录保持者的时候,宇宙还没有完全被电离。

宇宙微波背景呢?在那个时期,我们所知道的宇宙微波背景辐射的温度是35开尔文,相对来说是比较温暖,或者其波长在光谱的红外部分!赫歇尔红外太空望远镜会在相同波长下工作,其观察恒星形成的气体云,将会被年轻宇宙中残留的原始光线淹没!

那时的宇宙平均密度大约是今天密度的2100倍;我们观察的每一个方向都会有大量阻挡光线的灰尘、博克球状体,就像下图中的的”黑暗星云“(巴纳德68),将会从各个方向上完全阻挡背景光源。

最严重的是,我们所能看到的一切似乎都在以非常快的速度远离我们。我们认为宇宙今天在快速膨胀!

我们今天的膨胀速度意味着,每隔一个百万秒差距(约300万光年),一个物体就会以67公里/秒的速度远离我们。

回到过去?在这个星系的位置?每隔1个百万秒差距,一个物体就会以1700公里/秒的速度远离我们,相当于约0.6%的光速。

这时的宇宙,暗能量是宇宙中能量密度一个很小的组成部分,大约是0.1%,它将完全无法被探测到!正常物质、暗物质和辐射将主宰我们所看到的一切,而暗能量的影响将完全不可见,并将持续数十亿年。

从我们目前保持最远星系的角度来看,这就是宇宙的样子!我们看不到宇宙的过去不是因为我们位置的问题,而是过去的宇宙本来就是不可见的.