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宇宙有6543.8+038億年的歷史。

眾所周知,宇宙的年齡是654.38+038億年。根據大爆炸理論,宇宙中最早的光誕生於654.38+038億年前,宇宙的直徑最多已經有276億光年。那為什麽科學家說哈勃體積目前的直徑是930億光年?

因為宇宙壹直在以超光速膨脹,而宇宙以超光速膨脹並沒有違反任何物理定律。愛因斯坦的相對論指出,天空中的光速是宇宙中物體運動速度的極限,也就是說靜止質量的物體運動速度不能超過光速,但並沒有規定空間的膨脹速度不能超過光速。我們的宇宙之所以這麽大,是因為空間在以超光速膨脹。

20世紀20年代,美國天文學家埃德溫·哈勃發現河外星系正在遠離我們。河外星系的視回歸速度與距離成正比,離我們越遠,星系的回歸速度越快。根據美國國家航空航天局公布的最新測量結果,星系每遠離我們326萬光年,退行速度每秒增加74公裏。

上圖是埃德溫·哈勃。

哈勃的發現讓我們意識到宇宙正在膨脹。而且可以推斷,在很久以前,宇宙中星系之間的距離更近,物質密度更高,所以早期宇宙可能是從壹個原始的火球中誕生的,這為大爆炸理論提供了有力的證據。

星系之所以相互遠離,是因為空間在膨脹,而不是因為星系的運動。我們可以這樣理解空間的膨脹。相信很多人都吹過氣球。當氣球膨脹時,氣球上任意兩點之間的距離都被拉起,空間的膨脹與其類似,所以宇宙並不存在於壹個特殊的膨脹中心。把氣球上的點換成星系,這樣就很容易理解為什麽星系之間距離很遠了,而且距離越遠,距離越快。

如上圖所示,宇宙像氣球壹樣膨脹。

通過對遙遠超新星的觀測,科學家發現宇宙不僅在膨脹,目前還在加速膨脹。發現該研究成果的三位天體物理學家也分享了2011年諾貝爾物理學獎。宇宙加速膨脹的原因是什麽?科學家認為這與暗能量有關,暗能量占宇宙總質量能量的68%。

上圖是宇宙的膨脹。

天體離我們那麽遠,科學家怎麽知道空間在膨脹,而不是星系在相互遠離?哈勃通過星系光譜發現河外星系離我們很遠。哈勃發現河外星系的譜線會向紅端移動,離星系越遠,紅移越大,這就是所謂的宇宙學紅移。紅移的原因是空間的膨脹拉長了光波。

這種紅移的原因是空間的膨脹而不是星系的距離。

光譜紅移有三種原因,包括多普勒紅移、宇宙學紅移和引力紅移。多普勒紅移是觀測者與光源的距離造成的;宇宙紅移是由空間膨脹引起的;引力紅移是引力源作用產生的,需要黑洞級別的引力源才能產生明顯的紅移現象。在近區,由於星系明顯的視運動,很難區分多普勒紅移和宇宙學紅移,兩者造成的譜線差異只能在相當遠的距離(幾億光年以上)才能分辨出來。

正是因為上述發現,證明了空間在膨脹,而不是星系在遠離。我們不在宇宙的中心,任何觀測的結論都是星系在相互遠離,我們看到的這種現象是空間膨脹造成的。

為什麽宇宙的膨脹在星系內部無法被探測到?那是因為在幾百萬光年的小尺度範圍內,引力的強度遠遠大於迫使空間膨脹的力,只有在大尺度範圍內,我們才能看到天體相互遠離。

正因為如此,星系內部無法觀測到宇宙的膨脹,星系在引力的作用下保持穩定。雖然宇宙在膨脹,但是仙女座和銀河系在引力的作用下相互靠近。根據科學家的預測,30多億年後,仙女座菌株和銀河系將會碰撞融合,形成壹個更大的星系。

為什麽哈勃體積的直徑是930億光年?最早的光從宇宙誕生開始傳播,以光速在宇宙中穿行了654.38+03.8億年才到達我們的眼前。正是由於空間的超光速膨脹,光在僅僅100多億年的時間裏就走過了數百億光年。根據宇宙大爆炸的理論模型,在電磁波範圍內,哈勃體積的直徑為922億光年。

根據大爆炸理論,在宇宙誕生以來的38萬年裏,宇宙仍然處於混沌狀態,物質密度非常高,光無法自由傳播。這意味著在此期間不可能觀察到情況。即使在這麽短的時間內,宇宙也膨脹了8億光年,因為宇宙正處於快速增長期。這段時間需要引力波來觀察情況。

如圖所示,天體之間的引力相互作用在空間中引起漣漪,形成引力波,並向遠處傳輸。

所以哈勃體積的總直徑是930億光年。算上不可觀測的部分,宇宙的實際大小肯定要大得多。

如果未來宇宙膨脹繼續加速,那麽總有壹天,星系會變得如此遙遠,以至於附近其他星系的光永遠不會被我們觀測到,宇宙會變得黑暗而死氣沈沈。

熱愛科學的朋友們,歡迎關註我。

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