造成這種差異的原因是,首先,138億光年本質上是威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星觀測到的宇宙微波背景(CMB)輻射球體的半徑。因此,該球體的直徑將為276億光年。因為這,我們經常使用/引用的「可觀察」宇宙的直徑變為930億光年。
從現在起,在下圖CMB圖像上看到的每個黃色或紅色凸起,將在138億年後成為銀河的超級星團。同時,宇宙的不斷擴大將導致這些星團變成距我們465億光年。
圖片:宇宙微波背景
(來自普朗克衛星的CMB圖像,有關CMB的更多信息,請參見我的回答:時間可能向後退多遠?)
因此,我們的想法是:如果我們等待465億年,我們實際上應該能夠看到我們現在在望遠鏡中看到的這些超星系團發出的光。但光線才剛剛開始走向我們,要到達還需要些時日,因為它必須來自直徑為930億光年的球體表面-以我們為中心!
不幸的是,我們最終將不會看到那些超級星團發出的光。問題是我們現在知道,由於暗能量的存在,宇宙的膨脹實際上正在以加速的速度增長(實際上,它至少已經加速了30億年)。由於擴展的加速,這些超級星團現在距離我們465億光年,等我們再等待327億年時,它們將以比光速還大的速度從我們中後退。
圖片:星系團Abell 1689以其在引力透鏡現象中彎曲光線的方式而聞名。對星團的研究揭示了暗能量如何塑造宇宙的秘密。
因此,即使我們看到的光已經有138億年的歷史,理論上,至多930億光年的直徑,也只是我們現在可以看到的所有物質的距離(例如CMB圖片裡的情況)。
大爆炸發生後的37.9萬年,在我們超級星團(處女座星團)和銀河系(銀河系)最終發展的空間區域發生了顛簸(密度過大)。你可能想知道,這些凸起最終將出現在多遠的CMB圖像上?好吧,我們可以算出來! CMB處於z = 1100的紅移。宇宙有一個比例因子,它是時間的函數a(t)。紅移與比例因子有關:a(tNOW)a(tCMB)=z+1.
圖片:處女座星團
圖片:銀河系
這意味著CMB圖像上那些凸起的直徑將為930億光年/ 1101,即直徑為8450萬光年。
哇,這裡有很多很長的答案。這是TL; DR版本:宇宙的膨脹速度快於光速。看到了嗎?沒那麼難。
「但是等一下」,你說,「沒有什麼能比光速更快」。這就是答案更長的原因。的確,宇宙相對兩端的兩個星系之間的距離增加速度快於光速,這似乎違反了規則。但是,星系本身在太空中的傳播速度並不比光速快。相反,空間結構在它們之間正在擴張,並且這種擴張不受通常的速度限制。
很難解釋這種豁免是如何合理和自然的,因為你必須了解宇宙並不是真正的三維。讓我以類推的方式進行解釋。想像一下一個不斷膨脹的氣球,上面漂浮著二維生物(我們稱其為「平地人」)。
二維方法具有0厚度,就像在紙上繪製一樣(但更薄;紙張和墨水實際上確實具有一定的厚度)。氣球的表面是平地人的整個宇宙,他們看不到(或構想)表面以外的任何東西;實際上,他們認為自己的宇宙是二維的。 平地人也有速度限制:它們只能以光速移動(兩者是相對的,讓我們不要把問題弄得太複雜)。但是此速度限制僅適用於圓周運動(沿氣球表面移動)。因此,氣球本身可以以比光速更快的速度擴張而不破壞該規則,因為它的擴張不是圓周的。因此,在氣球相對兩端的兩個平地人可以比光速更快地分離,即使平地人自己爬行的速度要慢得多。想像一下平地人的困惑。
我們的情況類似於平地人,只是我們生活在4維球面的3維表面內(或多或少),而不是生活在3維球面的2維表面內。我們將宇宙視為3維的唯一原因是,我們看不到(甚至無法看到)其4維曲率。