宇宙膨胀的五个问题,不知道你就太尴尬了

【博科园-科学科普】当我们观察遥远的宇宙时会继续看到所有的星系,在各个方向数百万光年,甚至数十亿光年。据估计有两万亿个星系可能会被人类观察到,其中的总和比我们大多数人想象的更壮观更壮美。

超遥远的宇宙视野显示星系以极快的速度离开我们。在这段距离内星系看起来更大,更小,演化得更少与附近的星系相比有更大的红移。图片版权:NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan

其中一个最令人困惑的事实是,在我们观察过的所有星系中,它们都服从相同的规则:离我们越远,它们就越快的远离我们。这一发现是由埃德温·哈勃和他的合作者在20世纪20年代发现的,这让我们看到了宇宙膨胀的图景。但是宇宙膨胀意味着什么呢?科学已知道了,现在你也应该知道了!

我们看得越远,就越回到我们所看到的不那么进化的宇宙。但只有广义相对论适用并统治一个膨胀的宇宙。图片版权:Wikipedia user Pablo Carlos Budassi

No.1、宇宙膨胀成什么?

这是一个听起来很合理的问题,因为其所有扩展都是由物质组成的并存在于宇宙的空间和时间内。但宇宙本身就是空间和时间也包含了所有的物质和能量。当我们说“宇宙在膨胀”的时候,意思是太空本身就是正在膨胀的东西,它使我们看到单个的星系和星系团相互远离。我所见过的最好的想象就是把一个面团和葡萄干放在一起,在烤箱里烤。

“葡萄干面包”模型的膨胀宇宙,相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。图片版权:NASA / WMAP Science Team

面团是空间的结构,葡萄干是被束缚的结构(比如星系或星系群),从任何葡萄干的角度来看,所有其他的葡萄干都在远离它,更遥远的葡萄干更快地离开。只有在宇宙的情况下没有烤箱,在面团外面没有空气,只有面团(空间)和葡萄干(物质)。

导致红移不仅仅是星系正在远离我们,更确切地说我们和星系之间的空间,将光从那个遥远的点转移到我们的眼睛上。图片版权:Larry McNish of RASC Calgary Center

NO.2、我们怎么知道它是膨胀的空间的结构,不只是星系以不同的速度运动?

如果你看到物体向四面八方移动,可能是因为你和物体之间的空间在膨胀,这是一种可能性。但似乎合理的是你可以靠近爆炸中心,许多物体都离得更远,今天移动得更快,因为他们在爆炸中获得了更多的能量。如果后一件事是真的,那么将有两件证据可以证明:

1、因为随着时间的推移会更容易地在太空中扩散,因此在远距离和高速下星系将会减少

2、红移/距离关系将在很大距离上服从一个非常特殊的形式,这与扩大的空间结构是不同的

对红移/距离(虚线)和广义相对论(固体)的解释在膨胀的宇宙中距离的解释。最后,只有GR的预测与我们观察到的相符。图片版权:Wikimedia Commons user Redshiftimprove

当我们看很远的距离时会发现,在遥远的宇宙中星系的密度比附近的要大。这与空间扩张的图像是一致的,因为看远的地方和看过去的情况一样,在过去没有那么多的扩张。科学家还发现遥远的星系有一个与空间扩张的结构一致的红移距离,而且与星系之间的距离非常远,而不是仅仅从我们那里迅速移动。这是一个科学可以用两种截然不同的方式回答的问题,这两个答案都支持宇宙的膨胀。

一个明显的膨胀率(y轴)与距离(x轴)的图与一个在过去扩展得更快的宇宙是一致的,但现在仍在膨胀。这是一个现代版比哈勃最初的观测要多出几千倍。注意,这些点不构成一条直线,表明膨胀率随时间变化。图片版权:Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

NO.3、宇宙是否总是以同样的速度膨胀?

我们称它为哈勃常数,但它只是空间上的一个常数。此时此刻宇宙正以比以往更慢的速度膨胀。当我们谈论膨胀率时它是一个单位距离:今天大约70公里/秒。(“Mpc”是一个百万秒,大约是326万光年) 但是膨胀率取决于宇宙中所有不同物质的密度,包括物质和辐射。随着宇宙的膨胀,物质和辐射会变得不那么致密,随着物质和辐射密度的下降,膨胀率也会下降。宇宙在过去膨胀得更快,自从大爆炸以来一直在减速。哈勃常数是一个误称,它应该被称为哈勃参数。

宇宙遥远的命运提供了一系列的可能性,但如果暗能量确实是一个常数,正如数据所显示的那样,它将继续沿着红色的曲线。图片版权:NASA / GSFC

NO.4、宇宙会永远膨胀?还是会停下来?甚至是坍塌?

对于几代人来说,这是宇宙学和天体物理学的圣杯问题之一,它只能通过确定宇宙膨胀的速度和所有不同类型(以及数量)的能量来回答。科学家们已经成功地测量了正常物质、辐射、中微子、暗物质和暗能量以及宇宙膨胀率的大小。根据物理定律和过去发生的事情,宇宙将会一直膨胀下去。虽然这不是百分之百的确定性,如果像暗能量在未来的行为与过去和现在的行为不同,我们所有的结论都将被修正。

No.5、是否有星系以比光速更快的速度移动?

从我们的观点来看中间的空间正在扩大。物质就越快远离我们,即使膨胀率很小,一个足够远的物体最终会越过任何有限速度的阈值,因为膨胀率(每距离的速度)乘以一个足够大的距离会使你的速度达到你想要的速度。但这在广义相对论中是可以的!没有什么比光速还快的定律只适用于物体在空间中的运动,而不是空间本身的膨胀。在现实中星系本身只是以几百或几千千米/秒的速度移动,远低于光速的30万公里/秒的速度限制。是宇宙的膨胀导致了这次衰退和红移,而不是真正的银河运动。

在可观测的宇宙中(黄色圆圈),大约有2万亿个星系。由于宇宙的膨胀,我们所能观测到的宇宙边界的三分之一以上的星系都无法到达,只留下3%的宇宙空间对人类的探索“开放”。

宇宙膨胀是使物质和能量充满了一个时空的必然结果,它遵循广义相对论的定律。只要有物质存在引力就会吸引,引力就会赢,所有的物质都能聚集起来,否则引力就会失去,膨胀就会胜出。没有膨胀的中心,也没有宇宙膨胀的空间之外的东西,宇宙的结构本身就是在不断膨胀。最令人抓狂的是即使我们今天以光速离开地球,在可观测的宇宙中,只有3%的星系是可以到达的;其中97%已经超出我们的掌握。宇宙可能是一个复杂的地方,但至少你知道了五个最常被误解问题的答案!


作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

来自:Forbes science

编译:卿君侧

审校:博科园