為什麼遠處星系比近處星系的移動速度快,是否預示宇宙存在中心?

2020-12-06 優美生態環境保衛者

定於宇宙的起源,現在科學界主流的觀點是138億年前,我們的宇宙存在一個中心(說是中心也不準確,因為除了這個中心,沒有任何其它空間),這個中心被稱為奇點,隨著奇點的爆炸,在極短的時間內釋放出無數物質和能量,然後這些物質在釋放能量的推動下向四周擴散開來,部分物質在相互引力的作用下開始聚集,逐漸演化為星雲、恆星、行星、衛星等形態以及運行規律多樣的天體,共同構成了繽紛多彩的宇宙世界。

宇宙的膨脹

由於宇宙演化的時間尺度非常大,因此在很長的歷史時期內人們並未發現到宇宙膨脹的現象和證據。直到上世紀20年代,美國天文學家哈勃通過長期的觀測,發現了一個奇怪的現象,那就是距離地球越遠的天體,在它們發出的可見光譜到達地球之後,光譜向紅端移動的幅度就越大。

在之前的物理研究中,人們早就發現運動中的光源,其發出的可見光光譜會隨著與觀測者距離的遠近,發生相應的波長增加或者縮短的現象,即光源遠離觀測者,所觀測到的光波長會增加,那麼相對於光源靜止時的同一譜線時,就有向較長波長方向移動的趨勢,也就是向紅端(紅光波長較長)移動,人們將這一現象叫作紅移;反之,當光源逐漸靠近觀測者,那麼所觀測到的光波長會縮短,有向藍端移動的趨勢,這種現象被稱為藍移。

哈勃根據這種光譜現象,推斷出距離地球越遠的星體,其遠離地球的速度就越快,從而為證實宇宙不斷膨脹提供了有力的證據。

宇宙膨脹的速度

1929年,哈勃根據長期的觀測,根據星系退行速度、與地球距離之間的關係,測算出二者存在的正比規律,並給出了測算值H=500,這個值就是哈勃常數。在隨後不斷深入的天文觀測中,眾多科學家和研究機構,一直對哈勃常數進行修正。

1931年,哈勃和哈馬遜通過測定,將H值修正為526。1958年,桑德奇調整了最亮星標所在的位置,參照星系與地球的距離一下子增大了很多,於是H值降為75。1976年,桑德奇又採用了另外的方法測量目標星系與地球的距離,修正H值結果為55。2006年,馬歇爾太空飛行中心應用錢卓X射線天文臺,對距離地球百萬秒差距(Mpc)處的星系遠離地球的速度進行測量,結果為 77(km/s)/Mpc。之所以H值的變動範圍很大,主要原因在於使用了不同的距離測算指標,而對距離的測算又受到了不同星系在組成結構、年齡、演化過程影響,從而距離與絕對星等之間的關係發生了不同模數的匹配。最近的一次對H值的修正,是2013年時,歐洲航天局利用普朗克衛星,對距離地球百萬秒差距(Mpc,326萬光年)處星系遠離地球的速度重新進行了精密測定,修正後的H值為67.77(km/s)/Mpc,誤差值在正負1.3數值之間,這個數據也就是在326萬光年處宇宙相對於地球的退行速度。

而在可觀測宇宙範圍之內,應用啥勃常數,可以推測出在可觀測宇宙的邊緣,其退行速度達到了每秒96萬公裡,這個數值相當於光速的3倍。

為什麼距離越遠退行速度越快

目標星系距離地球越遠,從計算出的退行速度來看就越快,之所以會發生這樣的現象,主要原因還在於以地球為中心進行觀測的結果。如果我們把可觀測宇宙內的目標星系與地球之間的直線,劃分為以326萬光年為間隔的若干線段,那麼每個線段上的相鄰點之間的退行速度都是每秒67.77公裡。那麼,每兩個點之間的退行速度就會是兩個67.77的數值疊加,以此類推,以觀測者為中心,距離越遠的區域,則疊加的退行速度也就越多,觀測起來退行速度也越來越快。

可以做個簡單的吹氣球實驗,我們選擇氣球的一個點為中心,沿著這個中心向四周劃分若干「直線單元」,在每條「直線單元」上再標註若干點,那麼在吹氣球的過程中,與這個中心相鄰的點就越逐漸遠離中心,而且與這個中心相鄰的點,與外圍的點之間也會出現逐漸遠離現象,那麼相對應的,中心的點與外圍的點之間就會出現退行速度的疊加,在相同時間段內,中心點與最外圍點之間的退行速度,就會遠遠超出氣球上任意兩點之間的遠離距離,而且距離越遠的點,其遠離速度就越大。

通過這個類比實驗,我們可以看出,宇宙的膨脹速度雖然在一定的時間尺度內是穩定的常量,但是基於不同的觀測參照系統,與觀測者所在地的遠離速率是不盡相同的。

宇宙是否存在中心

月球圍繞地球運轉,從一定程度上地球是地月系統的中心;地球圍繞太陽公轉,可以說明太陽是太陽系的中心;太陽系圍繞銀河系中心旋轉,也可以說銀河系中心的黑洞是銀河系的中心。那麼是不是可以應用這種類推的方法,找到宇宙的中心呢?我覺得不能,主要原因還是在於我們選擇的觀測角度問題。

一方面,我們找不到所有宇宙物質共同圍繞運轉的核心,在更廣闊的宇宙空間尺度內,除了萬有引力的作用之外,科學家們還提出了暗物質和暗能量的推測,因為從目前宇宙的退行速度來看,奇點大爆炸的能量不足以支撐,而且星系之間的引力作用有時也會出現解釋不通的引力波動問題。暗物質和暗能量的存在,或許能夠解釋推動宇宙膨脹和星體之間引力作用的平衡問題。

另一方面,宇宙的膨脹是不均勻的,雖然最初的奇點大爆炸是各向同性,在宏觀層面、中觀層面和微觀層面,能夠決定物質運動規律的主導作用力是不同的,在各種作用力的影響下,不同區域、不同組成、不同密度的星系,其相互之間的距離變化的規律根本不具備一致性,因此,即使能夠找到當初奇點大爆炸的位置,也不能夠說明這個位置就是宇宙的中心。

總結一下

距離地球越遠的星系,其觀測到的運行速度越快,這主要是由於宇宙膨脹的疊加效應決定的,是以地球為中心進行觀測的結果。而這個中心,是以觀測者所處的位置人為定義的,不同的觀測點,其觀測到的目標星系運行速度是不一樣的。因此,宇宙只有人為設定的觀測中心,沒有物理意義上的實際中心。

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  • 地球是宇宙的中心嗎?為何所有的星系都在遠離我們而去
    既然如此,所有的星系都在遠離我們,這是否代表著我們生活在宇宙的中心呢?在愛因斯坦創立廣義相對論之前,人類對於宇宙的認知還停留在觀測階段,我們只認識到了宇宙是一個我們無法想像的龐大的空間。在這個空間中有著很多物質,這些物質互相組合匯聚成為了一個個龐大的星系。
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