宇宙正在消失-MAAMX
  • 大爆炸后,物质、能量和辐射在迅速膨胀的状态下,宇宙几乎完全统一。随着时间的流逝,宇宙不仅由于引力而聚集形成星团,而且在最大的尺度上个体聚合结构彼此无情地飞离。令人不安的是,随着时间的流逝,每个星团都会从你的视线中消失。

自从科学家首次推测宇宙正在膨胀,星系离我们越来越远,而且退去得越来越快。这并不是因为星系在物理上远离我们,而是因为宇宙中充满了引力的物体,这些物体所居住的空间结构正在扩大。

但是,从20世纪20年代开始,这幅图就一直在不断的修改。自从我们第一次意识到这种膨胀正在加速,仅仅20年,随着时间的流逝,单个星系似乎越来越快地离我们远去。到时候,即使我们以光速朝它们走去,它们也会变得遥不可及。宇宙正在消失,我们对此无能为力。

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  • 在智利北部的拉西亚(La Silla)天文台看到的银河系,对于任何人来说都是一个令人惊艳、令人敬畏的景象,它为我们呈现银河系中许多恒星的壮观景色。然而,在我们的星系之外,还有数以万亿计的其它星系,难以置信的是它们都在远离我们。

当你看到一束旅行了100年光时,你看到的这颗发光恒星离你100光年远,因为光速是恒定的。但是,当您看到一个星系,它的光是在一亿年的旅程后到达,您所看到的并不是一个相距一亿光年的星系。相反,你看到的是一个远得多的星系!

其原因是,在最大尺度上,那些没有被引力束缚在一起的星系、星系群或星团在宇宙中膨胀。光子从遥远的星系向你的眼睛传播时间越长,宇宙膨胀的作用就越大,这意味着最遥远的星系甚至比它们光所经过的时间还要远。

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  • 星系越远,它离我们越快,它的光看起来越红移。今天,随着宇宙膨胀而移动的星系将比它从它发出的光到达我们的年数(乘以光速)还要大。

这表现在宇宙的红移。由于光是用特定能量发射的,因此是一种特定的波长,我们完全期望它也会以特定波长到达目的地。如果宇宙的结构既不膨胀也不收缩,而是恒定的,那么这个波长将是相同的。但是,如果宇宙在膨胀,空间的结构会拉伸,如上面图所示,因此光的波长会变长。这张图片上的最遥远的星系观测到的巨大红移,已得到了验证。

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  • 遥远的星系,就像在大力神星系团中发现的星系群一样,不仅已经红移并远离我们,而且它们明显的消退速度也在加速。最终,我们将无法接收到它们的光。

但是,我们能做的远不止确定宇宙已经膨胀并继续膨胀。我们可以利用我们收集的所有信息来得出结论,宇宙是如何在其历史中膨胀的,这反过来又告诉我们是由什么组成宇宙。

一旦光离开一个遥远的宇宙源,膨胀的宇宙就会延伸光的波长。这导致红移,当宇宙的不同组成部分(如暗能量、物质或辐射/中微子)更重要时,较远的物体将处于较长的时间位。

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  • 测量宇宙大距离的两种最成功的方法是基于其表面亮度(L)或其表面角尺寸(R),这两种方法都是直接可观测到的。如果我们能够理解这些物体的内在物理特性,我们可以将它们用作标准蜡烛(L)或标准标尺(R),以确定宇宙在宇宙历史中是如何膨胀的,并了解宇宙由什么组成。

通过在一系列距离上测量光源源,发现它们的红移,然后测量其内在对表观大小或内在对表观亮度,我们可以重建整个宇宙的膨胀历史。

此外,由于宇宙的膨胀方式是由宇宙中存在的各种物质和能量决定,因此我们可以了解宇宙是由以下物质组成的:

  • 68%暗能量,相当于宇宙常数,
  • 27%暗物质,
  • 4.9%正常(质子、中子和电子)物质,
  • 0.1%中微子和反中微子,
  • 约0.008%的光子,以及
  • 绝对没有别的,包括没有曲率,没有宇宙弦,没有域墙,没有宇宙纹理,等等。
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  • 过去不同时期宇宙中不同能量成分的相对重要性。请注意,当暗能量在未来达到接近100%时,宇宙的能量密度(因此,膨胀速率)在时间上将保持任意地保持恒定。由于暗能量,遥远的星系已经加快了从我们这里明显消退的速度。

一旦我们知道宇宙的精确构成,我们就可以简单地将它应用到引力定律(由爱因斯坦的广义相对论给出),并确定我们宇宙的未来命运是什么。当我们第一次将这个应用于发现一个暗能量主导的宇宙时,我们的发现令人震惊。

首先,这意味着所有尚未受到引力约束的星系最终都会从视野中消失。随着宇宙的不断膨胀、膨胀和再膨胀,它们会以越来越快的速度离开我们,不受引力或任何其他力量的抑制。随着时间的流逝,一个星系会越来越遥远,这意味着这个星系和我们自己之间的空间越来越大。由于空间继续膨胀,星系似乎以越来越大的速度移动。

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  • 这里显示的GOODS-North调查包含一些迄今观测到的最遥远的星系,其中一些星系的距离得到了独立确认。在这张图像中拍摄的许多星系已经无法到达,即使我们今天以光速旅行。

但有一个必然的结论,该结论更令人不安。这意味着,在离我们特定的关键距离上,空间结构本身的膨胀使得光子要么离开我们的星系走向遥远的星系,要么离开一个遥远的星系朝我们行进,将永远无法到达我们星系。宇宙的膨胀速度如此之大,以至于即使我们以光速行进,我们也无法接近遥远的星系!

目前,这个距离”只有”大约150亿光年。如果考虑到我们可观测到的宇宙半径约为460亿光年,并且所有空间区域(平均和最大尺度上)包含相同数量的星系,这意味着即使我们今天以光速旅行,我们能到达的星系只占宇宙星系总数的3%左右。

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  • 宇宙的可观测(黄色)和可到达(洋红色)部分,在我们可观测的宇宙中,97%的星系都包含在洋红色圈之外;只有3%在洋红色区域内。

这也意味着,平均而言,每秒有两万颗恒星从可到达过渡到无法到达。一秒钟前发出的光总有一天会到达我们,但一秒钟后发出的光,却永远不会到达我们的星系。这是一个令人不安结论,但也有一个更乐观的方式看待它:这是宇宙提醒我们,一定要珍惜每一秒。这是宇宙告诉我们,如果我们想要超越我们自己的本地组,超越由仙女座、银河系和大约60个小卫星星系组成的引力约束的天体集,我们一刻也不能延误,每延误一刻,我们都会失去一个接近机会。

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  • 图中显示,宇宙的不同的命运,与我们实际的、加速的命运显示在右边。持续加速确保每个星系不会受到引力约束,最终会加速远离我们,不仅我们无法到达,而且对我们不可见。

银河系的角度来看,在我们今天宇宙中估计的两万亿个星系中,只有大约3%的星系仍然可以到达。这也意味着,由于暗能量导致宇宙加速膨胀,我们可观测的宇宙中97%的星系已经无法进入人类范围。随着时间的流逝,我们本地集团以外的每一个星系都注定会遭遇同样的命运。

除非我们发展星系间旅行的能力,前往其他星系群和星团,否则人类将永远被困在我们当地的星系群中。随着时间的流逝,我们甚至没有能力,将信号发送到位于大宇宙之外的天体,或接收位于大宇宙之外天体发出的信号。宇宙的加速膨胀是无情的,现有宇宙所具备的引力不足以克服它。宇宙正在消失,我们没有办法阻止它。