本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
在2016年3月,美國國家航空航天局(NASA)發布了由哈勃空間望遠鏡拍攝到的一個遙遠星系的星光圖片,這個星系極其遙遠,由於宇宙膨脹的緣故,它正在高速遠離我們,根據光譜分析,測量到其紅移量高達11.1,按照目前測定的哈勃常數計算,它距離我們約有134億光年,這意味著,它的光是在134億年前發出的,在宇宙空間傳播了134億年後抵達地球並被哈勃空間望遠鏡捕獲。
根據2013年3月21日由歐洲航天局(ESA)的普朗克衛星最新數據確定的宇宙年齡,宇宙誕生至今約138.2億年。這意味著,這個編號為GN-z11的遙遠星系在宇宙大爆炸後4億年左右就誕生了。
這張哈勃空間望遠鏡拍到的光學影像圖片雖然看起來是一團黯淡的紅色星雲,但其實它是一個藍色的星系,裡面擁有大量的劇烈燃燒的大質量藍巨星。但由於距離遙遠,在傳播過程中發生了極其嚴重的宇宙學紅移(哈勃紅移),導致被望遠鏡捕獲時星光如此黯弱。不過其實這很好理解,在如此大的紅移之下,一般小質量恆星的光已經在可見光以外了,難以被光學(可見光)波段的哈勃空間望遠鏡捕獲。
但可以確定的是,這裡遠不是宇宙的邊緣,它僅是接近可觀測宇宙的邊緣,而更遠的星系已經脫離了我們的觀測範圍以外了。這是由於從宇宙大爆炸之初就持續至今的宇宙膨脹,導致宇宙的大部分星系都正以超越光速的速度遠離我們,我們將永遠無法看到它們所發出的光了。因此,實際上宇宙有多大,科學家目前並不知曉,只知道很大很大……
為了看到更遙遠的星系,探索早期宇宙的演化,探測第一代的恆星和星系,美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)和加拿大國家航天局(CSA)共同研發的紅外空間望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將升空接替哈勃空間望遠鏡的任務,紅外波段觀測能力加上數倍於哈勃空間望遠鏡的口徑,將有望發現更多紅移量更大的遙遠天體。
你可能會奇怪,不是說這已經是宇宙誕生後4億年就發出的光嗎?最遠不就宇宙大爆炸後0年發出的光嗎?就算是宇宙誕生就發出的光,距離我們不就138.2億光年嗎?為什麼說不知道宇宙究竟有多大?難道還會比138.2億光年更大嗎?
這裡面其實有個誤區,以為我們看到的星系就是最遠的星系了,你以為我們看到的這個134億光年的GN-z11星系就是134億年前距離我們最遠的星系了嗎?如果你這麼想的就想得太簡單了,可以肯定的是,這個134億光年的GN-z11星系在134億年前絕非距離我們最遠的星系。那麼那時比它更遠的星系呢?很顯然那些星系的光還沒傳到地球……
另一方面,宇宙學的距離是相當複雜的,我們現在所說的134億光年只是只它的光行距離,也就是光在134億年時間裡走過的距離。但由於光在傳播過程中宇宙一直在膨脹,現在所說的這134億光年實際上已經不止134億光年了,但為了方便理解和計算,我們一般還是使用光行距離,也就是134億光年,因為光行距離跟宇宙年齡很容易對應上,我們一說某個星系距離我們多遠,就很容易知道它的光是宇宙誕生後多少年發出的。按照宇宙年齡,宇宙的可觀測半徑應該是138.2億光年,但實際上當考慮了宇宙膨脹,可觀測宇宙的實際半徑根據估算大約在465億光年,是光行距離的3倍多。
而且隨著上世紀末科學家發現的宇宙加速膨脹,這個光行距離跟實際距離——固有距離之間的差距將繼續加大。
那麼問題來了,宇宙為什麼會那麼大?為什麼會超過極限速度光速所能達到的尺度?這是因為宇宙經歷了從誕生至今的持續膨脹,而且在宇宙大爆炸的初期,膨脹的速率超乎尋常,特別是在暴脹期的指數級膨脹,導致宇宙裡最快的速度上限——光速已經無法定義宇宙的尺度。
只於宇宙為什麼會膨脹?宇宙為什麼會那麼劇烈地暴脹?還不知道……目前這是個未解之謎,有一些理論假說,但根源性的問題還無從知曉。