星系距離和空間膨脹的解讀

2020-08-26 看松讀畫軒

如果文獻上說，一個遙遠星系離我們的距離是110億光年遠，要知道作者想要表達的是什麼：

這個星系的光需要110億年的時間才能到達我們地球，那是通過測量星系的紅移效應唯一能確定的事情。在光發射出來的時候，是在110億年前，這個星系那時非常靠近我們，也許只有幾十億光年。而當該星系的光最終到達地球的時候，它與我們之間的距離可能已經大於200億光年。這個110億光年的說法是個非常馬虎的表達。

也許有人會反駁：200億光年？宇宙的年齡才138億歲，這個星系怎麼會距離我們這麼遠？愛因斯坦告訴我們任何東西的傳播速度都不能超越光速，怎麼可能138億年時間裡移動200億光年的距離呢？這真是令人費解。

一、譜線紅移——空間膨脹

20世紀初，天文學家們已經有不少測量「恆星徑向速度」的經驗了。他們發現，在空間的任何方向上，從地球上觀測到的星光的頻率都偏低，顏色都偏紅。所有的漩渦星雲看上去都在退行，而且是以極高的速度遠離我們而去。

當時沒有人能夠解釋它，直到20世紀20年代末美國科學家哈勃（Edwin Hubble）揭開了這個謎團。1924年，哈勃已經證明，那些漩渦星系並不是銀河系的一部分，而是遠離銀河系的一個個河外星系，包含數十億顆恆星。1929年，哈勃得出了一個驚人的發現，星系距離我們越遠，它們的退行速度就越快。臨近的星系以相對穩定的退行速度離我們而去，而較遠的星系則有著更快的退行速度。這就是產生譜線紅移效應的緣由。

當時哈勃並沒有精確地知道這些星系的距離有多遠，但他做出了一個合理的結論：譜線紅移並不是那些星系真正遠離我們而去，其實質是宇宙空間自身在膨脹，而且在各個方向上都如此。

想像由一個遙遠星系發射出的一列光波，它有特定的頻率和波長。在幾百萬年甚至幾十億年的時間裡，這列光波在太空中向著地球飛速而來。如果我們的宇宙是靜態的，這列光波在到達地球時應該有著和它出發時完全相同的波長。但宇宙並不是靜態的，空間正在膨脹。因此，光波穿行的空間也同時在膨脹，光波被漸漸地拉長，產生了偏紅的顏色。

光波在膨脹的空間中穿行的時間越久，它就會被拉伸得越厲害。因此，來自遙遠星系的光線旅行時間更長，將會比附近星系發出的光產生更大程度的紅移效應。這就是哈勃的發現。現在宇宙學家已利用星系紅移作為其距離的替代量度。

二、哈勃定律及哈勃常數

測量星系的譜線紅移實際上也是測量星系遠離銀河系的速度。研究譜線紅移將為繪製宇宙空間星系的布局提供重要線索。

哈勃掌握了測定河外星系距離的方法，因此他可以進一步研究河外星系和距離之間的關係。他將這些星系的紅移和它們的距離位置一一對應起來，畫在一張空間的疆域圖上。

可以發現，河外星系遠離地球的速度Ｖ正比於星系的距離Ｄ。哈勃得出，星系退行速度和星系距離的比值幾乎是一個常數Ｈ，當時哈勃計算出為500，以km/s/Mpc為單位，這裡Mpc是百萬秒差距（1pc=3.26光年）。

換句話說，哈勃的觀測意味著326萬光年外的星系正在以500km/s的速度遠離地球。這就是著名的紅移——距離關係，稱作哈勃定律（Hubble's Law）：

Ｖ = Ｈ x Ｄ，Ｈ為哈勃常數。

哈勃的這一發現，被學界認為是宇宙膨脹的直接證據。後來，隨著觀測手段和技術的進步，哈勃常數的測量精度也日趨精確。

測量哈勃常數成了天文學界關鍵科學目標之一。例如，2001年美國天文學家費裡曼（Wendy Freeman）對造父變星周光關係進行了精確定標，得到的哈勃常數為72km/s/Mpc，誤差10%。2016年，H0LiCOW團隊發布了基於引力透鏡數據的哈勃常數，結果是71.9km/s/Mpc，誤差3.8%。2018年，一個國際團隊利用哈勃和蓋亞（Gaia）空間望遠鏡完成了一次測量，最新測量的哈勃常數為73.52+-1.62km/s/Mpc，這是對哈勃常數最新也是最精確的一次測量。

星系紅移作為距離的量度，是測量遙遠星系最實用的方法。哈勃指出，紅移量與距離有關：Ｚ＝ＨｘＤ／ｃ，這是哈勃定律的另一種表達形式，這裡Z為紅移量，c為光速，Ｄ為距離，Ｈ為哈勃常數。由此，只要精確測出星系譜線的紅移量Z，便可以計算出星系的距離。此方法可以測定遠達百億光年計的距離。

例如，2013年哈勃太空望遠鏡對遙遠天體z8_GND_5296的光譜確認，它的宇宙學紅移是7.51，距離地球大約290億光年，對應大爆炸後7億年。該方法目前測得的最大距離約是460億光年，也就是目前可觀測宇宙的半徑。

三、星系的距離意味著什麼？

天文學家測得的星系距離究竟意味著什麼呢？假設一個星系在很久之前發射出一列光波，當時它距銀河系有50億光年之遙。當這束光最終到達地球的時候，這個距離現在可能已經變成100億光年了。歸根結底，這是因為宇宙空間同時在不停地膨脹。

問題來了，星系紅移並沒有給我們提供任何有關其「原始」距離的信息，以及關於其「當前」距離的信息。我們唯一能夠從紅移中得到的信息就是，這個星系的光在膨脹的空間中穿行了多少時間。它既不是50億年，也不是100億年，而是介於兩者之間，大約70億年。

那麼，關於這個星系的距離，我們應該怎麼表達呢？

嚴格來說，「這個星系太遙遠了，它發出的光波在膨脹的宇宙空間中穿越了70億年的時間才到達我們這裡。」這聽起來十分彆扭。為了讓表達更加簡潔，天文學家會說「這個星系在距離地球70億光年遠的地方。」畢竟，70億年的穿行時間是我們唯一能夠測量到的信息。但這顯然是非常馬虎的近似說法，它沒有清楚地表述這個星系現在離我們的真實距離。

由於光速有限，我們在空間中能夠看多遠有個限制。如果宇宙誕生於138億年前，這也是光的最長旅行時間。空間很可能無限大，但我們只能觀測到其中的一小部分：以銀河係為中心，以138億光年為半徑的球狀區域。這就是我們所稱的可觀測宇宙（Observable Universe）。這個球體的表面就是宇宙學視界（cosmic horizon）。

值得一提的是，隨著空間膨脹，當前我們的宇宙學視界的實際半徑大約已是460億光年，即當前可觀測宇宙的實際半徑已達460億光年。

因為光速太慢，宇宙學視界是對我們觀測能力的一項基本限制。隨著時間流逝，可觀測宇宙會不斷變大，每一年其半徑會增大1光年。遺憾的是，由於空間在加速膨脹，最終可觀測宇宙的增長無法趕上空間的膨脹，我們能夠看到的星系會越看越少。最後，宇宙中的每一個星系都會成為「看不見」鄰居的孤島。

【謝謝閱讀】


相關焦點

  • 「宇宙紅移」可能是由星系運動引起的,而不是膨脹的空間?
    當我們觀察一個遙遠的星系時，來自星系的光要麼由於空間膨脹而紅移，要麼實際上星系正在遠離我們。那麼我們如何區分宇宙紅移和都卜勒紅移？宇宙的超遠視圖顯示星系正以極快的速度遠離我們。在這些距離上，星系看起來更多、更小、進化程度更低，而且與附近的星系相比，它們會以更大的紅移後退。當你看著天空中一個遙遠的物體時，可以通過觀察它的光來了解它。恆星將根據它們的溫度和速度而發光。
  • 解讀暗能量的本質,宇宙在膨脹更多的空間意味著更多的暗能量,難道...
    是什麼在膨脹？空間本身發生了什麼？每當我們望向銀河系之外，我們就會發現了數十億顆跟我們銀河系大小和規模相當的星系。隨著觀測技術的進步，我們看得越來越遠，宇宙中的星系就會顯得越來越小，越來越模糊，但數百萬、數十億、甚至數百億光年之外仍然有星系存在。這是宇宙最令人震撼的特徵之一，也是一切問題的根源所在。
  • 空間膨脹是如何讓物質粒子失去能量的?這對形成星系非常重要
    當然這不是因為任何一個原子在移動，也不是因為遠處的原子比近處的原子移動得快，原子在自己的位置並沒有動，而是因為原子所在的空間本身在膨脹。如果空間本身在膨脹，那麼宇宙就會對空間裡面的所有物質都會產生一種重要而特別的影響。膨脹的宇宙能讓一切冷卻下來！對於輻射來說，原因很容易理解。因為所有的輻射都有一個特定的波長，正是這個波長決定了輻射的能量。
  • 為什麼仙女座星系與銀河系會在膨脹的宇宙中相撞？
    另一方面，當年哈勃的觀測結果表明，宇宙正在膨脹。既然如此，為什麼仙女座星系還會靠近銀河系，並與銀河系發生碰撞呢？首先，我們來了解一下宇宙的膨脹是怎麼回事。所謂的宇宙膨脹，其實是指空間本身的膨脹。宇宙中的大多數星系都在遠離銀河系，並不是因為那些星系本身的運動造成的，而是因為星系之間的空間持續膨脹，才導致星系之間互相遠離。下面以氣球為例，簡單來說明一下空間膨脹。
  • 星系誕生時的光傳播132億年被我們看到,這個星系的年齡和距離呢
    而且，你也應該注意到了，如果你點擊並放大上圖，只看其中的一小部分，你會發現一些更紅更暗的星系！你可能會想那它們為什麼很暗很紅呢？其實這並不是因為它們是一個暗紅色星系。暗說明了，它們距離我們非常遙遠，發紅是因為宇宙在膨脹！
  • 我們如何在膨脹的宇宙中定義距離
    這個星系現在離地球的距離遠大於100億光年--如果我們是以一種特定的的含義來定義「距離」--這麼說完全合理.不過，「距離」雖然在日常生活中（有）非常直觀的意思，但在我們不斷膨脹的宇宙中可沒這麼簡單！天文學家們（當然還有別人）在討論物體「距離」的時候，並不總是詳細闡述他們提到「距離」的意思，這就引起了很多關於「距離」的困惑。
  • 如果宇宙膨脹,為什麼地球和月球之間的距離幾乎沒有變化呢?
    如果宇宙空間在膨脹的話，那為什麼我們只強調的是星系之間的距離增加，而不是鄰近的兩個物體間的距離增加呢？例如，地球與月球間的距離，該如何去解釋呢？鑑於此，那為什麼星系之間會合併？實際上，空間是在所有物體之間進行擴展的。
  • 星系退行速度的大小和星系距離之間的關係
    「哈勃定律」——星系的紅移和距離之間的關係「哈勃」是一位時代的巨人，他在天文學裡面佔據了舉足輕重的地位，因為他首先確認了「河外星系」的存在，開創了星系天文學這個新的方向，更重要的哈勃還發現了星系的紅移和距離之間的關係，這個關係稱為「哈勃定律」，在天文學研究裡面，很少以一個人的名字來命名某一個定律的
  • 星系的紅移和距離之間的關係
    「哈勃定律」——星系的紅移和距離之間的關係「哈勃」是一位時代的巨人，他在天文學裡面佔據了舉足輕重的地位，因為他首先確認了「河外星系」的存在，開創了星系天文學這個新的方向，更重要的哈勃還發現了星系的紅移和距離之間的關係，這個關係稱為「哈勃定律」，在天文學研究裡面，很少以一個人的名字來命名某一個定律的
  • 宇宙在不斷膨脹,為何銀河系和仙女座星系還要在40億年後相撞?
    宇宙膨脹是空間在膨脹，在空間中的物體會有相對移動速度，兩個物體可以相互遠離，也可能相互靠近，仙女星系和銀河系就屬於相互靠近的情況。宇宙大爆炸理論能很好地解釋宇宙的起源和演化，根據天文學家獲取的數據，目前宇宙膨脹速度（哈勃常數）為：H=67.80±0.77km/s/Mpc；其中Mpc表示百萬秒差距，1百萬秒差距≈326萬光年，也就是說在宇宙中相距326萬光年的兩點，因為宇宙膨脹導致的退行速度為67.8km/s，隨著距離的增加，相對退行速度是線性增長的。
  • 距離地球越遠的星系,退行速度就越快,是什麼在讓宇宙加速膨脹?
    20世紀初，一位名叫埃德溫.哈勃的物理學家通過分析星系光譜，得出了「大部分星系都在遠離地球」這一結論，而後愛因斯坦根據這一結論，修正了自己的廣義相對論引力場方程，刪掉了其中用於「維持宇宙穩恆態」的宇宙學常數。
  • 地球和太陽的距離會因為宇宙空間膨脹而越來越遠嗎
    我們現在已經知道了宇宙正在加速膨脹，所有的星系都在加速離開地球。但是在現實生活中，我們好像感覺不到它的存在。太陽看上去還是那麼大，並沒有因為宇宙膨脹而導致地球距離太陽越來越遠。那麼這是怎麼回事呢？是物理定律在太陽系中失效了嗎？
  • 空間的膨脹,影響了什麼,又意味著什麼?
    物理學家：很久以前埃德溫·哈勃（也是一著名望遠鏡的名字）注意到一個星系越遠，它就越快遠離我們。通過這它指出宇宙正在膨脹，但是通過一個非常特殊，奇異的方法。與僅僅是飛離的物質（像爆炸中的碎片）不同，物質之間的空間實際上是自己增加的。以下是有一些關於兩者區別的詳述。你會認為，隨著空間本身的膨脹，其它的一切都會膨脹。畢竟，空間的膨脹可以粗略地類比為拉扯橡膠片。
  • 為啥看到星系遠離我們就可以證明宇宙在膨脹,而不是星系移動?
    自從上世紀發現遠方星系整體紅移，宇宙膨脹理論就確立了。星系移動，我們可以理解為在現有的時空範圍內，由於引力作用的移動，這與宇宙時空整體膨脹性質是不一樣的，有著顯著的區別。星系遠離我們是宇宙現象，如果發現某一個或者某幾個星系遠離我們，或者某個方向的星系遠離我們，當然就不能認定為宇宙膨脹。但所有遠方的星系都在遠離我們，而且各向同性，且與距離有線性關係，這樣的發現除了宇宙整體膨脹，還能用什麼原因解釋呢？何為各向同性？就是任意方向看都是一樣的。
  • 宇宙既然是膨脹的,那為何40億年後銀河系和仙女座星系會相撞呢?
    這個巨大星系的發現，其實和宇宙膨脹理論的發現密不可分。早在20世紀之初，美國科學家亨利愛塔·勒維特發現造父變星亮度變化的周期，與它自身的亮度有非常強烈的相關性，於是想出了一種方法，通過利用測量這種變星的亮變周期測的方式，間接推導出這個變星與觀測者之間的距離，於是科學界從此之後，將尋找這種造父變星作為「標準的燭光」來進行天體之間的測距研究。
  • 如何從星系的退行速度推斷出星系距離?
    這個答案在一段時期被眾人所熟知，即星系距離和它的退行速度是成比例的，被稱作哈勃定律，哈勃於20世紀20年代後半期對此進行了觀察演示。原理在於，如果你假設宇宙是均勻的，各向同性的，那麼哈勃定律也可以通過理論預測出來。星系的退行速度與星系距離之間的比例常數即稱之為哈勃常數。
  • 根據宇宙膨脹，所有的星系是不是都在遠離？
    星系離我們遠去就是因為宇宙擴張嗎？從宇宙膨脹的理論來看，星系的遠離確實是因為宇宙的膨脹！但這並非普適，因為宇宙膨脹，星系遠離的適用於在一定宇宙尺度以上的距離時，例如在本星系群這樣的範圍內，能左右星系運動的是相互之間的引力影響！
  • 空間沒有膨脹，紅移是光傳播時「疲勞」造成的，這種說法靠譜嗎？
    就說明星系的遠離並不是星系真的在空間中移動，而是宇宙的空間在膨脹。他認為星系的紅移並不是空間膨脹造成的，而是因為距離太遠，星光傳播的時候疲勞了，也就是損失了能量，在被我們接收到以後我們就看到了星光紅移，然後誤以為這是都卜勒-菲索效應造成的，才得出了宇宙在膨脹的結論。這個觀點在當時被稱為「光纖老化」問題，既然有不同的學說，那麼科學家自當會認真對待，去檢驗茨威基的說法。首先第一個問題就是光線如何損失能量。
  • 宇宙在不斷膨脹,星球與地球距離變遠,人類或永遠無法逃離宇宙
    我們知道，宇宙膨脹的出現能讓我們了解的宇宙越來越多，但是數據一直都很模糊。不過美國科學家利用兩臺天文望遠鏡去確定星系之間的距離，對宇宙膨脹速度來進行更精測的測量。最新測得的哈勃常數值為73.5公裡／（秒·百萬秒差距），即一個星系與地球的距離每增加326萬光年。
  • 如果宇宙在膨脹，我們也在膨脹嗎？
    空間並非像三維網格那樣固定，任何兩點之間的距離都是公認的。時間也不是一個連續不斷的實體，您可以在其中同步時鐘，將時鐘移到任意位置，並確信自己的時鐘讀數與其他人一樣。相反，我們將空間和時間視為相對的：您在空間中的運動會影響您在時間中的運動，反之亦然。