宇宙最快星系,速度可達2.3倍光速,為什麼沒有打破相對論?

宇宙中存在著大量的星系，我們能觀測到的數量估計為2萬億個。最近的河外星系離銀河系只有幾萬光年，最遠的河外星系位於上百億光年之外。在這些星系中 ，它們的光譜大都顯示出紅移，而且距離越遠紅移值越大。這意味著河外星系都在遠去，而且距離越遠，遠離速度越快。

如果河外星系離銀河系足夠遠，它們的退行速度甚至可以超過光速。然而，愛因斯坦的相對論又指出，任何速度都不可能超過光速。那麼，星系的退行速度是如何超光速的呢？為什麼這樣的超光速又沒有與相對論相違背呢？

狹義相對論：光速如何不可超越？

相對論是大家喜歡談論的一個話題，但這個理論很容易被誤解。宇宙中確實存一個終極速度，那就是真空光速c。而且一旦物體有靜止質量，光速都不可能達到，更不用說超光速，只有靜止質量為零的東西才能以光速運動。

需要注意的是，我們通常在談論速度時，都是指物體相對於局域靜止空間的速度。但如果兩個物體處於不同的空間坐標，在談論速度時就需要注意一個關鍵的因素——時空本身的曲率和演化，這是廣義相對論所討論的範疇。

狹義相對論的適用範圍是靜態且沒有曲率的平坦空間，但在現實中，宇宙中充滿了物質和能量。在物質和能量存在的情況下，時空結構會隨著隨時間而變化，導致空間位置發生了變化。

在諸如恆星這樣的大質量天體周圍，空間會被彎曲，處在這種彎曲空間中的物體就會加速靠近該大質量天體，從而表現出引力效應，這就是廣義相對論對引力的解釋。即使物體沒有相對於空間結構本身存在運動，它也會隨著空間結構的變化而發生運動。空間就像一條傳送帶，即便傳送帶上的物體是不動的，但運動的傳送帶會帶著上面的物體一起運動。

廣義相對論：星系可以超光速退行

根據廣義相對論，在一個各向同性且均勻的宇宙中，時空想要保持靜態是不可能的，宇宙要麼在坍縮，要麼在膨脹。但愛因斯坦一開始不允許這樣的事情發生，他在這個理論中引入了宇宙學常數，以維持時空靜態。

在20世紀20年代，哈勃對星系的光譜做了詳盡研究。結果發現，宇宙中的星系並不是一半藍移一半紅移，而是幾乎都在紅移，只有銀河系附近的少數星系出現藍移，這表明星系基本上都在遠離銀河系。

根據都卜勒效應，光源在逐漸遠離而去時，光的波長會變長，這會導致出現紅移。不過，星系的紅移並非是狹義相對論的那種局域運動引起的，因為還有一個更重要的規律，這會讓星系以超光速退行。

哈勃定律

星系不僅大都在退行，而去退行速度（v）還會隨著距離（D）的增加而線性增加，這個關係如今被稱為哈勃定律，比例係數被稱為哈勃常數（H0）。

唯一能夠解釋哈勃定律的事實是空間自身正在膨脹。如果把氣球表面比作空間結構，氣球上的點比作空間中的星系。那麼，當氣球膨脹時，氣球上的點就會隨之被互相推開。無論從哪個點看來，其他點都在退行，而且距離越遠的點退行速度越快。因此，只要距離足夠遠，星系之間的空間在單位時間內膨脹足夠多，就會導致星系之間以超光速退行。

空間膨脹速度有多快？

目前，哈勃常數的測量值大概為70千米/秒/百萬秒差距。百萬秒差距是天文學上所使用的長度單位，1百萬秒差距表示326萬光年。哈勃常數表明，如果兩個星系的距離為326萬光年，那麼，空間膨脹會讓它們以70千米/秒的速度互相遠離，其他距離以此類推。

照此來算，當兩個星系的距離達到140億光年之時，空間膨脹會讓它們互相分開的速度達到光速。如果距離超過140億光年，星系的退行速度就會大於光速。值得再次強調的是，這並不是星系在空間中真的以超光速運動，而是由空間結構的膨脹所引起的，這與相對論中的速度概念完全不是一回事。

由於宇宙不斷膨脹，我們所能觀測到的最遠星系GN-z11現在已經退行到了320億光年之外，它目前的退行速度是光速的2.3倍，這是目前已知退行速度最快的星系。它現在發出的光永遠也無法抵達地球，所以我們不可能觀測到現在的GN-z11。

即便未來能夠製造出非常先進的天文望遠鏡，觀測到最為遙遠的宇宙，但絕大多數星系都無法被我們觀測到。未來，我們只能觀測到現在距離銀河系不超過140億光年的星系，因為它們目前發出的光經過足夠長的時間之後，最終還能到達地球。