这个问题其实是宇宙大小的问题,也就是我们常说的可观测宇宙和不可观测宇宙。可观测宇宙的半径为460亿光年,在这个半径内所有东西,理论上我们都是可以看见的,那么在可观测宇宙外的一些恒星、星系、星系团对我们来时就是不可见的,因为它们的光从来都没有达到过地球。那么这个不可观测的宇宙是怎么来的?
宇宙有多大?
人类认识宇宙的大小,也是近一百年来的事,在这之前我们一直认为,天上能看到的恒星就是整个宇宙,也就是我们银河系的范围。但当时夜空中除了恒星以外,人们也在夜空中发现了一些模糊的星云,鉴于当时的技术手段、观测设备以及知识的局限性,关于这些星云的性质,它们是什么?历史上进行了一场大辩论,主要有两种观点:
这些模糊的星云是银河系中的原恒星,
这些模糊的星云是宇宙中独立的“星星岛屿”,和我们银河系的尺度一样。
由于我们当没法测量这些“星云”性质,以及它们与我们之间的距离,所以持不同观点的人相持不下,各自都有自己的理论依据。
就在同一时期,人们在天空中发现了另外一种光度可变的恒星,并对其进行了大量的统计研究,发现了这些恒星内禀亮度和亮度变化周期之间的关系,这就是我们现在熟知的造父变星,其变化关系就是我们常说的变星周光关系。
1923年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)开始着手研究天空中模糊的“螺旋状星云”,想解决这个困扰人们数十年的问题,同年的10月6日,哈勃在仙女座大“星云”中发现了上文中提到的变星,并根据这些变星的周光关系和光度与距离的关系,首次测量出了仙女座“星云”距离我们254万光年,为我们揭示了宇宙的范围并不仅仅是银河系。
还有哈勃继续根据变星测量了大量的星系距离,并根据距离与光度红移的关系发现了宇宙学最惊人的现象:我们宇宙在膨胀。
发现宇宙在膨胀,这就为我们揭示宇宙的过去和未来!
根据引力定律,虽然宇宙在膨胀,但万有引力会试图把宇宙重新拉到一起,如果引力在这场角力中获胜,那么总有一天宇宙会重新塌缩在一起,另外一种可能就是引力和膨胀率最后相互平衡,谁也没有赢,那么未来的宇宙会趋于一个临界值;最后一种可能是,引力无法扭转碰撞,但宇宙的膨胀率只会无限趋近于0,但不为零,宇宙会一直匀速膨胀下去。
但事实证明,事情并没有我们想的这么简单!在1998年,两组独立的观测团队通过对1a型超新星的观测发现,我们的宇宙正在加速加速膨胀,也就是说距离我们越远的星系远离我们速度越快,就像有某种未知的力量在撕扯着宇宙,这个神秘的力量就是我们熟知的暗能量。宇宙在诞生后45亿年左右,大约也是地球形成的时期,暗能量就开始从物质手里接管宇宙,并导致宇宙的加速膨胀,而之前宇宙在物质的作用下一直是减速膨胀。也就是说膨胀率一直在下降。
那目前加速膨胀的宇宙有多大呢?这其实跟古时候人问地球有多大一样,我们需要测量地球的曲率,或者形状。那么我们就需要测量宇宙的曲率,通过对微波背景辐射光线弯曲度的观测,也就是冷热点实际大小的测量,我们的宇宙实际上是平坦的。也就是说几乎和0曲率无法区别。也就是下图3的情况。
现在来思考下我们的地球,我们在生活中看到的地球是平的,但地球其实是个球形,我们之所以看见地球是平的只是因为我们太过渺小。现在回到宇宙的问题,我们通过测量我们可观测宇宙的曲率发现是平坦的,这就只能说明实际的宇宙要比我们的可观测宇宙大得多。
可观测宇宙外的宇宙
我们知道宇宙起源于热到爆炸,而热大爆炸之前宇宙还经历了暴胀状态,也就是空间呈指数膨胀的状态,在暴胀结束以后,空间已经被膨胀成平坦的状态了,例如上图中的D。随后宇宙就诞生了各种物质、反物质、辐射粒子等等。但直到宇宙诞生后的38万年,由于温度的降低,中性原子的得以形成,此时大爆炸残余的辐射粒子(光子)才得以自由传播。
也就是今天我们看到的微波辐射光子,但此时的宇宙并没有形成任何恒星或者星系,等宇宙一直膨胀了大约4亿年左右(或许更早),宇宙各个地方的第一批恒星才开始形成,恒星的光子才开始向我们地球的位置传播,那么这大约4亿的时间宇宙已经膨胀到了一个非常大的范围。
当整个宇宙中恒星的光子向地球传播时,空间也在膨胀,那些离我们近的恒星、星系的光子只需要走很短的时间就可以到达地球,那些比较远的肯定需要更长的时间。此时的宇宙由物质掌控,膨胀率一直在减缓,遥远的星系也不会高光速远离我们,要是一直这样持续下去,那么只要有足够的时间,我们在未来会看到越来越多的恒星的光子陆续地达到地球。
但在45亿年左右,暗能量突然掌控了宇宙,宇宙空间开始加速膨胀,那些在暗能量掌控宇宙之前就已经到达地球的光子,我们就可以看到这些恒星、星系,这就是我们的可观测宇宙。而那些光子一直没有达到地球的恒星或者星系,它们的光子也将永远没有机会再到达地球了,因为在那里的空间膨胀速度已经远远超过了光速。
而且就我们的可观测宇宙来说,大部分的星系已经在超光速远离我们了,它们现在发出的光,也将永远无法到达我们地球,以前达到地球的光子将持续达到地球。