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暗能量使可觀測宇宙中97%的星系我們永遠無法到達

【博科園-科學科普】當你觀察一顆經過100年向你移動的恆星時,你看到的是100光年之外的恆星,因為光速是有限的。但是當你在一個有1億年的旅程的星系中看到它的光時,你並沒有看到一個1億光年遠的星系。相反你看到的是一個遠比它遠的星系!原因是在最大的尺度上那些沒有被引力聯繫在一起的星系、團體或星團——宇宙正在膨脹。從一個遙遠的星繫到你的距離越遠,一個星系的距離越遠,它離光傳播的時間也就越遠。

這是一個宇宙紅移,由於光以特定的能量發射因此特定的波長,我們完全期望它也會以特定的波長到達它的目的地。如果宇宙的結構既不是膨脹也不是收縮,而是不變的,那波長就會是一樣的。但如果宇宙在膨脹那空間的結構。光線的波長變得更長。

圖片:Larry McNish of RASC Calgary Center

一個遙遠的宇宙光源被紅移量為我們提供了一個窗口,讓我們了解宇宙膨脹的程度,因為它為我們留下了它的來源。通過測量所有距離的光源,發現它們的紅移,然後測量它們的內在和明顯的大小,或者它們的內在和明顯的亮度,我們就可以重建整個宇宙的膨脹歷史。

標準燭光(L)和標準標尺(R),用於測量宇宙距離。圖片:NASA/JPL-Caltech

此外由於宇宙膨脹的方式是由各種物質和能量所決定的,我們可以了解我們的宇宙是由什麼組成的,但或沒有其他包括沒有曲率,沒有宇宙弦,沒有域壁,沒有宇宙結構等等。

但一旦我們知道宇宙是由什麼構成的,我們就可以簡單地把它應用到萬有引力定律(愛因斯坦的廣義相對論中),並確定宇宙未來的命運是什麼。當我們第一次將其應用於暗能量主宰宇宙的發現時,我們發現了令人震驚的事實。

擴展宇宙的可能模型。圖片:NASA & ESA

宇宙的膨脹是宇宙大爆炸的一個重要特徵,也是我們所居住宇宙的一個一般性質。自1929年埃德溫·哈勃(Edwin哈勃)觀測到宇宙膨脹的發現以來,天文學家們試圖了解它的行為。

首先它意味著那些沒有被引力束縛的星系最終會從視野中消失。他們會以不斷增長的速度遠離我們,因為宇宙繼續膨脹,不受引力或任何其他力量的制約。隨著時間的推移一個星系會越來越遠,這意味著星系和我們自己之間的空間越來越大。但由於空間繼續以有限的、非遞減的速度擴張,星系似乎因空間的膨脹而加速。事實上我們和那個星系都沒有移動得非常快,但我們之間的空間繼續擴大,使它從我們的視野中消失。

但不可避免的是這導致了更令人不安的結果。在一個特定的關鍵距離之外,空間結構的膨脹使得光子要麼離開我們的星系向遙遠的星系前進,要麼離開一個遙遠的星系朝向我們的方向永遠無法到達我們。宇宙的膨脹率如此之大,以至於遙遠的星系都無法到達我們的宇宙,即使我們以光速前進。

包含了我們所觀察到的一些最遙遠的星系,其中很多都是我們無法到達的。圖片:NASA, ESA, and Z

目前這個距離只有150億光年。如果你認為我們可觀測的宇宙大約有460億光年的半徑,這空間包含所有地區(平均和在大尺度上)相同數量的星系彼此,這意味著宇宙中星系總數只有約3%的目前我們可以到達,其他97%的即使我們以光的速度運動,也永遠無法到達!

這也意味著平均2萬顆恆星每秒鐘都在「躍遷」,從可到達到無法到達。他們在一秒鐘前發出的光,總有一天會到達我們,但他們發出的光卻永遠不會。這是一種令人不安、發人深省的想法,但也有一種更為樂觀的方式來看待它:這是宇宙提醒我們每一秒是多麼珍貴。宇宙告訴我們如果我們想要超越我們自己的本星系群——除了由仙女座、銀河系和大約50個小的衛星星系所組成的引力束縛的一系列物體之外,我們每耽擱一段時間,就會失去一個機會。

圖片:E. Siegel, based on work by Wikimedia Commons users Azcolvin 429 and Frédéric MICHEL

在我們可觀測宇宙中97%的星系都是我們無法到達的,但仍有3%的星系留給我們數十億的選擇和機會。如果我們希望探索這些問題,我們應該儘早採取行動,而不是更晚些時候,因為我們每耽擱一段時間,就會失去到達一些星系的機會。

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:中子星

審校:博科園

本文為作者原創,未經授權不得轉載



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