人類在被宇宙孤立?研究者:可觀測宇宙有97%的星系失去「聯系」

天空之城 2022/05/28 檢舉 我要評論

現代天體物理發展正在朝著全新的方向去解釋宇宙的存在,包括眾多的物理現象也在逐漸更迭過去已知的理論。

諸如相對論已經過時,弦理論才是未來這樣的想法也在不少。但困擾科學家多年的一個問題在于暗能量,這是為什麼?

在天體物理學中,暗能量充滿著宇宙各處,增加了宇宙膨脹的速度并且難以察覺。

由于暗能量的存在,許多觀測和模型推演都沒有一個很好的自洽邏輯的宇宙。

宇宙總會以這樣或那樣的形式發生改變,可觀測宇宙中的星系已經失聯,而科學家又沒有實際捕獲到暗能量的存在。

那麼暗能量為何能夠影響到宇宙?宇宙如今又在發生怎樣的變化?為什麼無法被直接觀察到?暗能量將如何影響宇宙的命運?

本文將從暗能量、天體物理學這兩個方面來解答這些問題,為什麼說可觀測宇宙中有97%的星系已經失聯? 研究者表示:人類正在被宇宙孤立。

暗能量將會影響宇宙未來

關于暗能量,主要源自科學家對宇宙起源的推測,在這個過程中,科學家借以某種手段來闡述當前宇宙的狀態和過去。

學術界目前有兩種關乎暗能量的討論,一種是以數學形式的宇宙學常數來表達,另一種為協和宇宙學的模型推演來解釋暗能量和宇宙能量密度的關系。

宇宙常數最初由愛因斯坦提出,并作為一種機制來獲得引力方程的解,如果將它視為場方程中的「源項」,則可以看作為等效于空白空間的質量,或者說真空能量。

但人們后來意識到愛因斯坦的靜態宇宙并不穩定,并且愛因斯坦本人也承認了這個錯誤。

如果說宇宙常數存在,那麼局部不均勻性最終會導致宇宙失控膨脹或者收縮。

如果宇宙稍微膨脹,那麼膨脹便會釋放真空能量,從而導致更多的膨脹。

根據埃德溫·哈勃在1929年的研究表明,宇宙似乎在膨脹,而不是靜止。

宇宙暴脹

膨脹假設后來在1980年得到了進一步的解釋,根據艾倫·古斯和阿列克謝等人的研究,概念上類似暗能量帶來的負壓場可以在早期宇宙中推動宇宙膨脹。

他們將這種能量影響假設為某種排斥力,在性質上類似暗能量,因此在這樣的模型構建下,在宇宙大爆炸之后發生了巨大的指數膨脹。

但根據暴脹理論解釋,今天觀察到的暗能量是在高得多的能量密度下發生的,并且在宇宙誕生幾分之一秒后便迅速結束。

目前在暴脹模型被接受之后,宇宙常數被排除在外。

進一步的研究表明,宇宙學觀測指出暗能量的狀態方程類似于愛因斯坦的宇宙常數,結果指出暗能量已經存在了至少90億年,包括在宇宙加速之前的時期。

而這與我們今天的可觀測宇宙有什麼關系呢?

宇宙膨脹與可觀測宇宙

我們先來看看 可觀測宇宙是怎樣的一個模型, 它實際上是表示物體發出的光線或其他輻射可能到達觀測者的距離。

我們最遠只能觀察到宇宙從不透明變為透明的這段臨界區間,也就是「臨界最后散射面」。

可觀測宇宙模擬全圖

如今科學界普遍接受了 宇宙大爆炸學說,從宇宙微波背景輻射著手,結合了過去相關的理論知識,經過計算后得到的結果大概在 285億秒差距,也就是 直徑930億光年左右的一個大圓球。

由于宇宙太過于龐大, 因此從大爆炸開始的光線還沒有足夠的時間到達地球,因此這部分區域還在可觀測宇宙之外,只有等待未來從更遠的星系散發出來的光線才能得知。

月球背后的光線年齡和宇宙一樣古老

但根據現有的理論,宇宙中足夠遠的區域正在以超光速的速度進行膨脹(并不是一般意義上理解的超光速,詳見大膨脹理論)。

如果暗能量維持不變,那麼宇宙在加速膨脹狀態下,未來視界以外的任意時間點都沒辦法進入可觀測宇宙范圍,因為它們散發的光線在這種狀態下永遠沒辦法到達。

這種情況實際也有確切的證據可以表明, 根據紅移巡天和各種電磁波的發現,如今宇宙的整體結構和包含的信息被劃分為了多個等級。

其中規模最大的超星系團以及[大尺度]纖維狀結構便是膨脹的最好證明,中間的空洞什麼也沒有。

如果我們今天從我們所在的位置以光速發出信號,人們只能在今天到達可觀測宇宙中3%的星系,其余的已經永遠超過了我們的能力范圍。

換而言之,可觀測宇宙中97%的星系在暗能量的影響下,借由宇宙膨脹不斷被拉伸距離,光線永遠無法到達,信號永遠在傳遞的路上,相當于失聯。

類似的信號傳遞通常表現為宇宙紅移,由于光以特定的能量發射,因此具有特定的波長。

如果宇宙的結構是靜態的,那麼波長將是相同的,但宇宙要是在暗能量的影響下不斷膨脹,那麼空間結構便會被拉伸,波長會變得更長。

就目前而言,宇宙的結構除了68%的暗能量,也就是所謂的宇宙常數,另外還有27%的暗物質、4.9%的常規物質,例如電子、質子、中子啥的;以及0.1%中微子和反中微子,還有極為稀少的,只有0.008%的光子。

那麼科學家又是如何得到相關的數據呢?

失聯在宇宙的「小泡泡」中

首先我們要明白的是, 宇宙膨脹不在于星系的某個點或者一個確切的中心點開始膨脹,而是空間本身在宇宙中的任何地方都按比例進行膨脹

也正是這一點,宇宙空間中的星系彼此都在遠離對方。

隨著距離被拉得越來越遠,這些星系相對于我們的運動也越來越接近光速,超過了一定距離,便會以超光速進行,正如前文所講。

實際上這也不違反相對論,因為星系相對于它們的局部坐標系移動,并沒有以接近光速的速度移動。

以人類為中心觀察的「哈勃球體」為例,將它以光速除以哈勃常數來計算半徑,結果大約是每秒每百萬光年21公里。

換而言之,每100萬光年就有一個星系離開我們。

然后將光速采為整數,即300000公里每秒,用光速除以這個距離,便能得到半徑為140億光年的哈勃半球體。

從宇宙微波背景上所觀察到的最遠天體,這段差距離我們有460億光年。

利用哈勃球體的體積進行計算后,最后得到結果為 0.00282,大約為 3%。因此剩余97%的星系將會不斷遠離,直至無法觀測。

哈勃球體中的觀察

所以在最后的結果計算下,人類正在被宇宙孤立,隨著時間的推移,我們只能在有限的空間內進行有限的聯系

除非有比光速更快的宇宙飛船或者推進器,但這可能嗎?

膨脹下的宇宙,所有星系團都將相互隔離,在本文中所闡述的例子,時間大概是在100~1500億年后。

到了這個時期,本地星系群將與宇宙的其他部分徹底分離開來。

這種巨尺度結構將會徹底分隔星系

在這樣的影響下,本地星系團會坍縮成一個橢圓星系,盡管人類仍然可以看到宇宙的其余部分,但在數萬億年的時間中,它們只會朝著紅移的方向發展。

隨著更多的時間膨脹,我們將不會看到它們,這時只有紅矮星和白矮星的光線。

白矮星藝術圖

這聽著十分悲觀不是嗎?

不過值得注意的一點是,相關的理論推演和計算都是基于現今的宇宙模型,同時也認可宇宙大爆炸理論和暴脹理論。

未來其實并不排除可能有新的理論支持,情況或許會發生一些變化。

不論如何,這些太過遙遠的未來對于人類來講還不是時候,但我們能夠看到宇宙實則也反應了事物的終極變化,沒有永恒的存在,只有確切的今天。

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