要回答这个问题,首先要搞清楚宇宙到底有多大。那么宇宙有多大呢?可能你从来没想过这样的问题。因为和人类相比,宇宙实在是太庞大了。但是,科学家们对这个问题非常好奇。他们从侧面推断宇宙是否存在边界。
1.宇宙的规模
我们不是在宇宙的中心,而是在哈勃体积的中心,一个直径约930亿光年的球体。这个星球上没有人知道宇宙有多大。也许它是无限的,也可能它确实有某种边界,也就是说,如果你旅行的时间足够长,你最终会回到你出发的地方,就像在地球上一样,类似于在球体表面旅行。
科学家们对宇宙的具体形状和大小数据意见不一,但至少他们可以对一件事进行非常精确的计算,那就是我们能看多远。true 空中的光速是一个固定值,那么既然宇宙从诞生到现在已经有137亿年左右了,这是否意味着我们最远只能看到137亿光年以外的东西呢?
答案是错误的。这个宇宙最奇怪的特性之一是它一直在膨胀。而且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至比光速还快。这意味着我们能观测到的最远的天体实际上比它们实际上要近得多。随着时间的推移,由于宇宙的整体膨胀,所有的星系都会离我们越来越远,直到最后只剩下我们一个空寂静空的房间。
奇怪的是,这样一来,我们的观察能力居然“加强”了。事实上,我们能观测到的最远星系距离我们460亿光年。我们并不生活在宇宙的中心,但我们确实生活在哈勃体积的中心,一个直径约为930亿光年的球体。
2.充满了星系
这张照片是美国宇航局的哈勃空望远镜获得的最深图像之一。科学家们让哈勃望远镜长时间瞄准天空中的一个小区域空——持续数月,尽可能多地捕捉每一个微弱的光点。上图局部放大,完整的是下图,包含了一万个星系。从局部放大的图片中,可以看到星系的一些细节。当你看着这些遥远的星系时,你可能没有意识到你正在看着遥远的过去。你看到的这些星系都是130亿年前的样子,那几乎是时间的尽头。如果你更喜欢空之间的描述,那么这些星系距离我们有300亿光年。
宇宙在不断膨胀,但与此同时,科学家也在不断提高宇宙尺度的测量精度。他们很快找到了一种极好的方法来描述宇宙中遥远天体的距离。随着宇宙的膨胀,光在宇宙中传播的波长会被拉伸,就像橡皮筋被拉伸一样。光是一种电磁波。对它来说,波长越长,越接近光谱中的红光波段。所以天文学家用“红移”这个词来描述天体的距离。简单来说就是描述光束从天体发出后,在空空间经历了多大的膨胀和拉伸。
当然,天体离得越远,其传播过程中波长被拉伸得越大,光线就会越红。如果用这种描述方法,那么你可以说这些遥远星系之间的距离大约是红移值Z=7.9,天文学家马上就会明白你说的距离尺度。
3.最远的天体
这张图像中间不显眼的红色模糊点其实是一个星系,是人类迄今观测到的最远天体。美国宇航局的哈勃空望远镜拍摄了这张照片。这个星系距离大爆炸只有4.8亿年。
这个星系的红移值约为10,相当于距离地球315亿光年。看来这个星系很孤独,同时周围也没有星系。这与宇宙大爆炸后约6.5亿年的情况形成鲜明对比。在此期间,天文学家发现了大约60个星系。
这说明,虽然这短短的两亿年对于宇宙来说只是一眨眼的时间,但正是在这短暂的时间内,大量的小星系汇聚形成了大星系。不过这里需要指出的是,天文学家目前还无法完全确认这个天体的距离值,这意味着它的实际距离可能比现在想象的更近。在美国宇航局的下一代詹姆斯·韦伯空望远镜发射L 空取代哈勃望远镜之前,科学家们将不得不在没有足够数据的情况下做出估计。
4.最远的距离。
天文学家能观测到的最远的光被称为“宇宙微波背景辐射”(CMB)。这些是到达地球的最古老的光子。他们几乎是在宇宙大爆炸的时候出生的。在大爆炸后的短时间内,宇宙非常小,因此相当拥挤,物质密度太大,光无法长距离传播。但在宇宙诞生约38万年后,宇宙已经变得足够大,光第一次可以自由传播。
此时发出的光是我们今天能观测到的最古老的光,是宇宙的第一缕曙光;它存在于宇宙的每个方向。无论你把望远镜指向哪个方向,都可以观察到它的存在。微波背景辐射就像一堵墙。我们只能尽可能的看到墙这边的风景,却无法穿越。
而如果有一天人类终于可以做出高灵敏度的中微子探测器,那么我们终于可以突破宇宙微波背景辐射设置的围墙,看到背后的中微子,也就是所谓的“宇宙中微子背景”。与光子不同,一般情况下,物质对中微子几乎是透明的,它们可以轻松穿越地球、太阳,甚至整个宇宙。因为这个特性,一旦我们能够解码中微子中携带的信息,我们将能够回到大爆炸后仅几秒钟的场景。
5.星系蝴蝶图
天文学家环顾宇宙,他们注意到宇宙中星系的分布不是随机的。由于引力的作用,星系往往会相互靠近,从而形成大规模的集合体,如星系团、超星系团、大规模片状结构甚至所谓的巨壁。天文学家开始在3D 空中记录这些星系的位置,他们很快成功地制作了一张相对较近范围内星系的3D分布图,这是一个惊人的成就。
这些调查大多集中在距离地球70亿光年以内的范围,但他们也在这个过程中发现了许多类星体。这些都是宇宙中亮度惊人的奇怪物体,来自早期宇宙,它们的距离可能是70亿光年范围的4倍以上。
在所有这些努力中,斯隆数字巡天(SDSS)可能是最大的一项。参与这个项目的天文学家已经基本完成了1/3 day 空的巡天,并在这个过程中记录了超过5亿个天体的精确位置信息。这里的图解来自另一个巡天项目:6dF星系巡天,这是目前第三大巡天项目。这幅图像中很多地方缺失的原因是因为银河系的阻挡,我们无法在很多天内进行观测。
6.相邻超星系团
在地球附近的空空间,天文学家会对它有更多的了解。现在我们知道,在距离地球大约10亿光年的地方,有一片超级星团的海洋。这些是由引力聚集在一起的大量成员星系。我们的星系本身就是室女座超星系团的一员,这个超星系团位于这幅图像的中心。在这个巨大的超星系团结构中,我们的银河系并没有什么特别之处,它只是一个位于角落里的普通成员星系。在这个宏伟的结构中占主导地位的是室女座星系团,这是一个由1300多个成员星系组成的庞大群体,直径超过5400万光年。
另一个超星系团值得关注,那就是after超星系团,因为它位于大北方长城的中心。北方的长城是一个令人难以置信的巨大结构,直径约为5亿光年,宽度约为3亿光年。我们银河系中“附近”最大的超星系团是时钟星系团,直径超过5亿光年。
7.暗物质和暗能量
宇宙的另一个令人惊讶的事实是,我们根本看不到宇宙的大部分组成部分。暗物质是一种神秘的存在。科学家认为它遍布宇宙,只是我们看不见摸不着。它们与光和任何一种电磁波都不起作用,而光和电磁波是人类探索宇宙的基本工具。但是它会产生引力,科学家可以通过它对周围的引力作用空感受到它们的存在。
是的,我们可以感觉到暗物质确实存在。比如我们居住的室女座超星系团,质量大约是太阳的10到15倍,但整个超星系团的光度只有太阳的3万亿倍。这意味着室女座超星系团的光度比它的质量应该小300倍左右。这一事实很难解释,但如果我们考虑到存在大量有质量但没有光的暗物质,这就不足为奇了。
事实上,根据计算结果,宇宙中暗物质的含量是我们通常看到的普通物质的5倍。但是暗物质虽然强大,仍然不足以统治宇宙。真正主宰我们宇宙的力量来自于另一种神秘物质:暗能量。普通物质和暗物质有一个共同点,就是都有质量,都对周围产生引力影响空。换句话说,它们的功能是聚集物质,减缓膨胀,甚至最终收缩宇宙。
然而,当科学家们观察宇宙,试图分辨它是在减速还是在缩小时,他们惊恐地发现,事实完全出乎他们的意料——宇宙根本没有缩小或减速,而是在加速!毫无疑问,有一种未知的、异常强大的力量,不仅独自抵抗着整个宇宙中所有普通物质和暗物质产生的引力,甚至加速了整个宇宙的膨胀。
暗能量的发现刚刚被授予今年的诺贝尔物理学奖,但是尽管取得了如此巨大的进步,科学家们仍然不知道暗能量是什么。现在关于这个学科的理论几乎等同于“等来等去”,等待未来有更完善的理论出现,可以赢得成功解释暗能量本质的桂冠。
8.宇宙之网
星系巡天的结果显示,我们的宇宙似乎呈现出“泡沫网络”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带上”,在它们的中间是巨大的空洞,天文学上称之为“巨洞”。这些巨大的洞穴非常巨大,有些直径可以达到3亿光年,几乎空都是空的。但这不是真的,因为尽管我们确实看起来那里什么也没有,但它实际上充满了暗物质。
这里是一个计算机模拟结果,显示我们的宇宙呈现出一个光纤网络结构,在这个结构中,节点、光纤带、层都是分布的。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中的微小波纹,是密度微小变化的体现。随着宇宙的膨胀,这些微小的高密度区域逐渐吸引更多的物质聚集在其中。这种效应持续数百亿年,结果令人惊叹——它创造了我们今天看到的宇宙。
这些现象是我们目前探索的结果,可以从侧面反映宇宙的边界和大小。但并没有说清楚宇宙到底有多大,所以探索还在继续。