宇宙有多大？已找到有效方法測量尺度

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:12

本帖最後由 siaoneu 於 2014-12-27 08:51 編輯

關於我們生活於其中的這個宇宙，《銀河系漫遊指南》一書的作者，英國著名劇作家道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)曾經寫道：它很大。的確。

想要了解宇宙究竟有多大，請你試着將一枚硬幣放在你的面前。假設這枚小小的硬幣就是我們的太陽，那麼另一顆代表距離太陽最近的恆星：比鄰星的硬幣就應當放在大約563公里之外。對於生活在中國的讀者而言，比如上海的讀者，這第二枚硬幣幾乎要擺放到山東或安徽省境內，而對於一些小國的居民而言，這顆硬幣可能都已經放到外國去了。

而這僅僅是太陽和距離它最近的一顆恆星而已。當你試圖模擬更大範圍內的宇宙空間時，就會麻煩的多了。比方說，相對於你的那顆硬幣太陽，銀河系的直徑將是大約1200萬公里，這相當於地月距離的30倍。正如你所看到的，宇宙的尺度是驚人的，幾乎沒有辦法用我們生活中所熟知的距離尺度加以衡量。

但這並不意味着人類丈量宇宙的夢想是遙不可及的。天文學家在長期的工作研究中已經找到一些行之有效的方法去測量宇宙的尺度。以下我們將向你呈現有關的內容：

1. 宇宙的尺度

我們並非居於宇宙的中心，但是我們確實居於可觀測宇宙的中心，這是一個直徑約為930億光年的球體。

這個星球上沒有人知道宇宙究竟有多大。它或許是無限的，也或許它確實擁有某種邊界，也就是說如果你旅行的時間足夠長，你最終將回到你出發的地方，就像在地球上那樣，類似在一個球體的表面旅行。

科學家們對於宇宙具體的形狀和大小數據存在分歧，但是至少對於一點他們可以進行非常精確的計算，那就是我們可以看得多遠。真空中的光速是一個定值，那麼由於宇宙自誕生以來大約為137億年，這是否就意味着我們最遠只能看到137億光年遠的地方呢？

答案是錯誤的。有關這個宇宙的最奇特性質之一便是：它是不斷膨脹的。並且這種膨脹幾乎可以以任何速度進行——甚至超過光速。這就意味着我們所能觀測到的最遠的天體事實上遠比它們實際來的近。隨着時間流逝，由於宇宙的整體膨脹，所有的星系將離我們越來越遠，直到最終留給我們一個一片空寂的空間。

奇異的是，這樣的結果是我們的觀測能力事實上被 “強化” 了，事實上我們所能觀察到最遙遠的星系距離我們的距離達到了460億光年。我們並非居於宇宙的中心，但是我們確實居於可觀測宇宙的中心，這是一個直徑約為930億光年的球體。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:13

本帖最後由 siaoneu 於 2014-12-27 08:51 編輯

2. 充斥着星系

這張照片是美國宇航局哈勃空間望遠鏡獲得的最深邃的影像之一。

這張照片是美國宇航局哈勃空間望遠鏡獲得的最深邃的影像之一。科學家們讓哈勃望遠鏡對準天空中的一小塊區域進行長時間的曝光——長達數月，儘可能地捕獲每一個暗弱的光點。文中上圖是局部的放大，完整的圖像是下面這幅圖，其中包含有1萬個星系，從局部放大圖中，你可以看到一些星系的細節。

完整的圖像。

當你看着這些遙遠的星系，你可能沒有意識到自己正在遙望遙遠的過去，你所看到的這些星系都是它們在130億年前的樣子，那幾乎是時間的盡頭。如果你更喜歡空間的描述，那麼這些星系離開我們的距離是300億光年。

宇宙處於不斷的膨脹之中，但與此同時科學家們對於宇宙尺度的測量精度也在不斷提高。他們很快找到了一種絕佳的描述宇宙中遙遠天體距離的方法。由於宇宙在膨脹，在宇宙中傳播的光線的波長將被拉伸，就像橡皮筋被拉長一樣。光是一種電磁波，對於它而言，波長變長意味着向波譜中的紅光波段靠近。於是天文學家們使用 “紅移” 一詞來描述天體的距離，簡單的說，就是描述光束從天體發出之後在空間中經歷了多大程度的膨脹拉伸。一個天體的距離越遠，當然它在傳播的過程中光波波長被拉伸的幅度越大，光線也就越紅。

如果使用這種描述方法，那麼你可以說這些遙遠的星系的距離大約是紅移值Z=7.9，天文學家們立刻就會明白你所說的距離尺度。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:14

3. 最遙遠的天體

迄今所觀測到的最遙遠天體。

這張圖像中間部位那個不太顯眼的紅色模糊光點事實上是一個星系，這是人類迄今所觀測到的最遙遠天體。美國宇航局哈勃空間望遠鏡拍攝了這張照片，這一星系存在的時期距離宇宙大爆炸僅有4.8億年。

這一星系的紅移值約為10，這相當於距離地球315億光年。看起來這一星系似乎非常孤單，在它的周圍沒有發現與它同時期的星系存在。這和大爆炸之後大約6.5億年時的情景形成鮮明對比，在那一時期，天文學家們已經找到大約60個星系。這說明儘管這短短2億年對於宇宙而言僅僅是一眨眼的功夫，但是正是在這一短暫的時期內，小型星系大量聚合形成了大型的星系。

但是這裡需要指出的是，天文學家們目前尚未能完全確認這一天體的距離數值，這也就意味着其實際距離可能要比現在所認為的更近。在美國宇航局的下一代詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發射升空以替代哈勃望遠鏡之前，科學家們都將不得不在數據不足的情況下進行估算。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:15

4. 最遙遠的距離

最遙遠的距離。

天文學家能夠觀測到的最遙遠的光線名為“宇宙微波背景輻射”(CMB)。這是抵達地球的最古老的光子，它們幾乎誕生於宇宙大爆炸發生的時刻。在大爆炸發生后的短時間內，宇宙非常小，因此相當擁擠，物質太過稠密，以至於光線無法長距離傳播。

但在宇宙誕生之後大約38萬年之後，宇宙已經變得足夠大，光線第一次可以自由地傳播。這時發出的光是我們今天所能觀測到的最古老的光線，是宇宙的第一縷曙光；它存在於宇宙的每一個方向，無論你把望遠鏡指向哪個方向，都可以觀測到它的存在。宇宙微波背景輻射就像一堵牆，我們最遠也只能看到牆這一側的風景，但是卻絕無辦法穿牆而過。

那麼這些最初的宇宙之光怎麼變成微波了呢？這還是因為宇宙的膨脹。隨着宇宙的膨脹，當時發出的光波波長被逐漸拉長，經歷如此久遠的時間(137億年)，它們的波長已經被拉伸到了不可思議的程度。隨着宇宙膨脹冷卻，現在這一輻射的剩餘溫度大約僅有-270攝氏度，也就是著名的3K背景輻射。這種輻射的分佈顯示出驚人地各向同性，各處的差異小於10萬分之一。

而如果有朝一日人類終於能夠製造出高靈敏度的中微子探測器，那麼我們將終於可以突破宇宙微波背景輻射設置的那堵牆，而看到其背後中微子出現時的情景，即所謂的“宇宙中微子背景”。和光子不同，對中微子而言，一般意義上的物質幾乎是透明的，它們可以輕而易舉地穿過地球，穿過太陽，甚至穿過整個宇宙。正是因為這一特徵，一旦我們能夠解碼中微子中攜帶的信息，我們將能回溯到宇宙大爆炸之後僅數秒時的情景。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:16

5. 星系蝴蝶圖

星系蝴蝶圖。

文學家們向宇宙張望，他們注意到宇宙中的星系分佈並非呈現隨機狀態，由於引力的作用，星系傾向於相互接近，從而形成規模巨大的聚合體，如星系團，超星系團，大尺度片狀結構乃至所謂的巨壁。

天文學家們開始着手紀錄這些星系在三維空間中的位置，他們很快成功地製作出較近距離範圍內星系的三維分布圖，這是一項令人驚嘆的成就。大部分此類巡天觀察都將注意力集中在距離地球70億光年之內的範圍，但他們在此過程中也發現了許多類星體，這是宇宙中亮度驚人的奇特天體，來自早期宇宙，其距離可能是70億光年範圍的4倍以上。

在全部這些努力中，斯隆數字巡天(SDSS)可能算是規模最大的一個。參與這一項目的天文學家們目前已經基本完成對1/3天空的巡天觀察，並在此過程中記錄下超過5億個天體的精確位置信息。而本文中這裡所配得圖則來自另一項巡天計劃：6dF星系巡天，這是目前規模位居第三的巡天項目。這張圖像中之所以會缺失很多地方，是因為銀河系的阻擋，很多天區我們都無法進行觀測。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:17

6. 鄰近的超星系團

鄰近的超星系團。

在距離地球比較近的空間內，天文學家們的了解相對而言就會多一些。我們現在知道在距離地球約10億光年的距離內存在一個超星系團的海洋。這些是被引力作用聚集在一起的大量成員星系。

我們的銀河系本身是室女座超星系團的成員，這個超星系團正位於這張圖像中中央位置。在這個巨大的超星系團結構中，我們的銀河系毫無特別之處，它只是位於一隅之地的普通成員星系而已。在這一宏偉結構中佔據統治地位的是室女座星系團，這是一個由超過1300個成員星系組成的龐大集團，其直徑超過5400萬光年。

另一個超星系團很值得關注，那就是后髮座超星系團，因為它的位置恰好位於北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一個大到令人難以想象的巨型結構，其直徑約有5億光年，寬度約3億光年。我們星系“附近”最大的超星系團是時鐘座超星系團，其直徑超過5億光年。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:18

7. 暗物質和暗能量

暗物質和暗能量。

這個宇宙另外一件令人吃驚的事實是：佔據宇宙大部分的成分我們卻完全看不到。暗物質是一種神秘的存在，科學家們認為它們遍布宇宙各處，但是我們卻看不到也摸不着。它們和光以及任何種類的電磁波都不發生作用，而這正是人類賴以探測宇宙的基礎工具。不過它會產生引力，通過它對周遭空間施加的引力效應，科學家們能夠感受到它們的存在。

是的，我們能夠感覺到暗物質確實存在。比如我們所在的室女座超星系團大約擁有10的15次方倍太陽質量，但是整個超星系團的光度卻僅有太陽的3萬億倍太陽光度。這就意味着室女座超星系團的光度相比其質量所應當擁有的光度小了約300倍。這樣的事實是難以解釋的，但是如果考慮到這其中遍布大量擁有質量但卻不發光的暗物質，一切也就不奇怪了。

事實上，根據計算結果，宇宙中的暗物質含量是我們平常所見的普通物質的5倍。但是暗物質儘管強大，卻仍然不足以統治宇宙。真正支配着我們這個宇宙的力量來自另一種神秘物質：暗能量。普通物質和暗物質有一個共同點，那就是它們都擁有質量，並向周圍空間施加引力影響，換句話說，它們的作用是讓物質聚攏，讓宇宙減速膨脹甚至最終收縮。然而，當科學家們觀測宇宙，試圖分辨出宇宙究竟是在減速膨脹還是在收縮時，他們驚駭地發現事實完全出乎他們的預料——宇宙根本沒有收縮或減速，它正在加速膨脹！

毫無疑問，存在一種未知的強大到異乎尋常的力量，它不但獨力抵抗了整個宇宙中所有普通物質和暗物質產生的引力作用，甚至還推動整個宇宙加速膨脹。對於暗能量的發現最近剛剛被授予了今年的諾貝爾物理學獎，但是儘管有了這樣的巨大進展，科學家們對於究竟什麼是暗能量卻依舊毫無頭緒，一無所知。現在有關這一課題的理論幾乎就相當於 “虛位以待”，等待着未來出現一個更加完美的理論能摘取成功解釋暗能量本質的桂冠。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:19

8. 宇宙之網

宇宙之網。

星系巡天的結果顯示我們的宇宙似乎顯示一種 “泡沫網狀” 結構。幾乎所有的星系都分佈在狹窄的 “纖維帶” 上，而在它們的中間則是巨大的空洞，天文學上稱為 “巨洞”。這些巨洞的體積巨大，有些直徑可達3億光年，其中幾乎空無一物。但是這樣說並不正確，因為儘管我們看上去那裡確實是什麼也沒有，但實際上這裡充斥着暗物質。

這裡這張圖是一份計算機模擬結果，它顯示我們的宇宙呈現一種纖維網狀結構，其中分佈着節點，纖維帶和層。這種複雜結果的起源來自宇宙微波背景輻射中微小的漣漪，這是其中密度微小變化的體現。隨着宇宙膨脹，這些微小的高密度去逐漸吸引更多的物質向其聚集，這種效應持續上百億年，其結果是驚人的——它造就了我們今天所見的宇宙。

siaoneu · 發表於 2014-12-27 09:02:20

9. 檢驗宇宙模型

檢驗宇宙模型。

2005年，一個國際天文學家小組試圖檢驗現有的宇宙學理論是否正確。他們進行了一項名為 “千年運行” 的模擬計劃，在計算機中他們模擬100億個粒子在一個邊長為20億光年的立方體空間中，按照我們現有的理論去作用於它們，是否能得到某種我們所預期的結果。

這項模擬實驗中考慮了普通物質，暗物質和暗能量因素，成功地再現出宇宙從混沌逐漸顯現類似於我們今天所觀察到的宇宙大尺度結構。在模擬運行的過程中，研究人員們目睹了宇宙中大質量黑洞的出現，強大的類星體發齣劇烈的輻射，模擬的結果中還出現了大約2000萬個星系。正如文中此處展示的那樣，研究人員們發現模擬的結果產生出一個和我們所觀察到的現實宇宙非常相似的狀態。