可观测的宇宙有多大?

zhixun

译者：huangzhong7170
发布：2012-10-16 21:47:12

图片来源：安德鲁科尔文
要是你出生于海洋中间一个孤立的荒岛，而且跟外界没有任何联系，你的地理知识将是有限的。通过望远镜向四外远眺，你看到的景象会受海平面的约束。尽管你可以推测边缘之外的东西，但你会缺乏切实的证据来支持你的假设。
仅局限于我们的行星及其周围，我们面临同样的情况：我们可以看见宇宙一部分，但我们只能推测宇宙的全部范围。我们可以通过平面几何猜测，宇宙继续无限期地向所有的方向扩张，就像一个草原延伸到我们眼睛所至的地方。(在这种情境下的平面是指一个连续的三维空间，像一个无限延伸的盒子)。然而，我们对实际的宇宙的理解受可观测的宇宙的边缘所束缚。我们肯定不清楚在我们仪器能观测的孤立地方之外存在什么东西。
因此,我们可能想知道：我们可能能够直接观察到的部分宇宙究竟有多大？乍看一下，该问题答案似乎是一个简单计算。光的速度大约是每秒钟186，282英里，或每年大约5.9万亿英里。从宇宙大爆炸起流逝的时间是137.5亿年。两个数字相乘，瞧——我们发现在整个宇宙历史，光可以行驶137.5亿光年(810万亿亿英里)。不过，该答案是错误的。
让我们思考光是何时产生的。从宇宙大爆炸到宇宙重组（中性的氢原子形成时）大约380，000年后，宇宙是不能透射光线的。光子在带电微粒间反弹，它们无法走得很远。理由是带电微粒与光子相互作用——要么吸收，要么发射它们。只有重组时代后光才能穿过太空。这是因为光子能通过中性氢气，而没有被改变方向。因此，任何估计可观测的宇宙的大小必须假定：我们能看到的光线是在太空变成透明的关键时代后才释放出来的。(我们将来某天可能探测到来自那个时代的中微子和其他粒子，把时间表往前推，扩大我们可观察的范围，但目前我们仍然有限。)两个时间的差异对计算结果改变不大，但是一定要注意。
更重要的是另一个调整。自原始的创造爆发以来，随着宇宙的扩展，太空一直在延伸。今天银河系离我们的距离远比其发出光时要大得多。通过类比，我们认为一场接力赛，即一个女孩把球抛给她队友，然后跑离他。如果教练后来问队友他接住的最远一掷是多远，他会给出一个跟被问他接到从掷得最远的人那里传的球不同的答案。同样地，光源掷出的光子所走的距离不能光源目前位置的更大的范围。因此，如果当光源离地球足够近时发射出光线的话，我们可能能够观察到比137.5光年更远的光源。
可是，另一个扩大可观察宇宙的限制是宇宙的加速度。宇宙不仅在扩展，而且宇宙的成长一直在加速。科学家已经利用从哈伯太空望远镜、WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)卫星及其他设备获得的资料来确定加速度、目前的扩张率、宇宙年龄及其他重要的宇宙学参数。
利用大量的资料，一队由普林斯顿j·理查德.歌特(J.RichardGott)领导的天文物理学家在2005年进行了可观测宇宙半径的详细计算。他们的答案是457亿光年——是我们第一、天真的估计的三倍多，在这个球体内含有数千亿的星系，而每个星系又有数千亿恒星。[1]
如果我们现在观察到在重组期间从光源的光线的话，歌特团队通过找出光源今天离我们多远来计算这个半径。在我们接力赛的类比中，如果她抛一个球，我们接住它，然后利用她跑的速度计算出她现在一定在那里，那么这就可确定某人肯定站在那里。
有趣的是，随着宇宙的扩大，可观察的部分会增长——但有一定限度。歌特和他的同事表明，对可观察宇宙半径来说，最终会有限度：620亿光年。由于宇宙的加速膨胀，星系正在以一个前所没有的速度逃离我们(彼此之间)。因此，随着时间的推移,越来越多的星系将超越可观测的范围。再次借助我们接力赛类比，我们认为，随着接力赛的继续，如果运动员变得越来越快，会有越来越多离我们那么遥远的人，以致当他们第一次抛球时，那光线会永远没有时间到达我们这里。
在可观察宇宙里面的所有事物并非都可以确定，这是自然不过的事。这代表包含所有可以通过光信号了解的事物的球状空间，或从一个由前国防部长唐纳德·拉姆斯菲尔德所作的著名评论得到结论。其评论是：可观察宇宙包含“已知的未知事物”，如暗物质。这些未知事物最终可以分析的。在可观察宇宙之外存在“未知的未知事物：”推测的物体，而不是直接观察的物体。
[1]467亿光年半径只包括光源。如果可以穿透早期宇宙的不透明状况的中微子和其他微粒都包括在内的活，该数值变成466光年。