930億光年,可觀測宇宙的大小是如何得出來的?

2020-12-04 科學船塢

往往談到宇宙,就離不開討論那些天文數字,動不動以「億」來計算,這會在字面上給人一種不願相信的感覺,總感覺數字是科學家猜出來的,到底是不是猜出來的呢?當然不是了,不僅不是,在計算可觀測宇宙的大小,在計算宇宙的年齡,計算過程是相當嚴謹可靠的,是理論與實際觀測相結合的結果,是科學的。

根據目前的科學成果,宇宙的年齡在138.2億歲左右,可觀測宇宙的直徑在920-930億光年左右。在討論宇宙大小是如何被計算出來的之前,先需要明白什麼是可觀測宇宙。從字面上來看,可觀測宇宙就是可以觀測的宇宙,舉個例子,人懸在高處,向四面八方、上下左右看去,所能看到的極限範圍必然是一個三維的球體,這個三維的球體就是人的可觀測範圍,說到這裡,大家應該明白可觀測宇宙是什麼意思了吧,可觀測宇宙就是人在地球上藉助於望遠鏡向四周看去,所能看到的極限範圍,這樣的三維球體就是可觀測宇宙。

簡單來說,就是地球為中心,以465億光年為半徑畫一個圓球,這個就是可觀測宇宙了。「以地球為中心」,這句話大家不要誤會,僅在可觀測宇宙中適用。在真實宇宙中,宇宙是去中心的,是沒有中心的。

講完了可觀測宇宙,再說大小。我們知道,宇宙自誕生伊始就處在不停地膨脹過程中,且膨脹的速率有快有慢,過去快現在慢。想要知道宇宙的大小,需要知道兩個:宇宙的年齡以及膨脹的快慢。

宇宙的年齡。

知道宇宙的年齡,最簡單直接的辦法,就是找最古老的恆星。幸運的是科學家找到了目前為止所發現的最古老的恆星——HD140283,它的年齡約為132億歲,由於恆星的誕生日期被認為是宇宙大爆炸之後的第5億年左右,所以很直觀的數字計算表明,宇宙的年齡肯定要大於137億歲。後來,科學家根據普朗克衛星的觀測數據計算出來了哈勃常數,代入了Λ-冷暗物質(ΛCDM)模型,之後求得了宇宙的年齡在137.99±0.21億歲,這與之前的觀測數據相差不大,於是138.2億歲就出爐了。

哈勃常數是什麼呢?

上世紀二十年代,美國天文學家哈勃發現了宇宙正在膨脹,距離地球較遠的星系都在遠離地球,離得越遠,遠離的速度就越快,距離與遠離速度之間大致恆定的比例就是哈勃常數。

知道了宇宙的年齡以及更為精確的哈勃常數,那麼可觀測宇宙的大小就很容易代入數學模型就計算出來了,即半徑為465億光年,直徑930億光年。

實際上,其中詳細的計算過程與需要的數據遠遠比我敘述的要複雜得多,晦澀難懂的公式讓人頭皮發麻,下面的公式就是Λ-冷暗物質(ΛCDM)模型了。

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  • 宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?
    人類對於宇宙的認識,其實是一個十分緩慢的過程,從古代科學的「天圓地方」,再到古希臘的「地心說」,最後到哥白尼的「日心說」,推翻了天文學的根本變革,但事實上太陽也不是宇宙的中心。現在人類已經根據理論得到,我們有著以地球為中心,930億光年的可觀測直徑。
  • 可觀測宇宙有多大?直徑930億光年.
    將這一因素納入考慮之後,天文學家們的計算結果顯示,那些從138億光年外發出的光線,產生這些光線的古老天體,由於宇宙的膨脹,今天它們和我們之間的距離已經達到了大約465億光年左右。    這一數值是我們目前對於可觀測宇宙半徑的最佳估算。將這一數值乘上一倍,我們就能獲得可觀測宇宙的直徑,大約是930億光年。
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙是啥意思?真正的宇宙有幾萬億光年嗎?
    一,可觀測宇宙的概念和目前的大小題目中說的整個宇宙的直徑930億光年,實際上這只能叫「可觀測宇宙」,是一個以觀測者為中心的球體空間,包括目前從地球上觀測到的所有物質,根據現在138.2億歲的宇宙年齡,人們計算出可觀測宇宙是以地球(觀測者)為中心,直徑為930億光年(因為宇宙空間是超光速膨脹,所以大於138億光年)的宇宙範圍。
  • 930億光年外是宇宙的邊緣嗎?如何能到達宇宙的邊緣?
    那930億光年外是什麼?是宇宙的邊緣嗎?其實答案很簡單:930億光年外還是我們的宇宙。但這樣回答有小朋友就不樂意了,既然還是我們的宇宙,那為什麼說宇宙是930億光年的呢?這就要從930億光年的來歷說起。
  • 人類可觀測930億光年,那930億光年以外又是什麼?真相即將揭開
    目前人類探測到的宇宙大約為930億光年,宇宙大爆炸說也普遍被人們所接受,人們認為宇宙起源於一個奇點,在某一時刻由於一種量子現象而產生了大爆炸,從而宇宙誕生。宇宙誕生後宇宙開始不斷膨脹,導致宇宙邊緣膨脹的速度遠遠超過了光速,所以關於宇宙的邊際,範圍超出了人類可觀察區域。
  • 人類所能觀測到的宇宙直徑是930億光年,這個範圍是如何確定的?
    宇宙和可觀測宇宙實際上,宇宙和可觀測宇宙是兩回事。不過,它們之間是有關係的,簡單來說就是可觀測宇宙是宇宙的一部分。那宇宙的年齡和可觀測宇宙的直徑是如何確定下來的呢?不過,我們在開始講述之前,我們得先搞清楚宇宙的定義到底是什麼?簡單來說,我們大概可以這麼理解,宇宙是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的集合。這個定義有啥用呢?
  • 360億光年、930億光年、2520億光年,哪個才是宇宙真實大小?
    ,其他謎團也會得到答案,就比如解開宇宙有多大這個謎團,那麼就可以解開宇宙有沒有外星人、宇宙邊界在哪裡、甚至還可以解開宇宙是如何誕生的、宇宙未來命運如何這些相關聯的謎團,因此人類把這種謎團稱為宇宙終極謎團,而「宇宙到底有多大」就是其中一個終極謎團,由於宇宙有多大是終極謎團,因此人類一直在尋找宇宙有多大的答案,對於宇宙有多大,目前人類已經得出了三個答案,分別是360億光年、930億光年、2520億光年,
  • 宇宙直徑達930億光年,根據相對論,為什麼宇宙年齡只有138億年?
    所以最後計算出的宇宙的年齡大約是138.2億年,相對應的可觀測宇宙大小是930億光年。很多朋友將宇宙的大小理解成930光年,但資料中都寫了可觀測宇宙,這非常有意思,我們下文中繼續來簡單描述下。為什麼138億年的宇宙,卻又930億光年的大小?假如根據愛因斯坦的光速不可超越理論,那麼138億年前的大爆炸產生的宇宙,即使以上限膨脹,那麼整個宇宙也不過276億光年而已,有何來930億光年呢?這裡你會發現會有兩個問題:宇宙膨脹為什麼可以超過光速?宇宙膨脹為什麼能超過光速?
  • 宇宙直徑達930億光年,根據相對論,為什麼宇宙年齡只有138億年?
    宇宙的大小到底是怎麼算出來的?所以最後計算出的宇宙的年齡大約是138.2億年,相對應的可觀測宇宙大小是930億光年。很多朋友將宇宙的大小理解成930光年,但資料中都寫了可觀測宇宙,這非常有意思,我們下文中繼續來簡單描述下。為什麼138億年的宇宙,卻又930億光年的大小?
  • 對於930億光年的可觀測宇宙來說,宇宙大爆炸的奇點在哪個位置?
    這是一個網上問答題,原題是:對於直徑為930億光年的可觀測宇宙來說,宇宙大爆炸的奇點在現在哪個位置?「對於無限的空間,任何一點都是正中」,這句話該如何解讀?下面我們一一回答。一,咱們首先對第二個問題的釐清和回答承認宇宙是由奇點大爆炸而來,就是承認宇宙是有限的。既然宇宙是有限的,就不會有無限的空間,因為空間屬於宇宙,這樣題目中的第二個問題和第一個問題明顯是矛盾的。兩個相互矛盾的問題放在一個提問裡問,有點莫名其妙。
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙到底是什麼意思?真正的宇宙有多大?有幾萬億光年嗎?
    根據現在138.2億歲的宇宙年齡,人們計算出可觀測宇宙是以地球(觀測者)為中心,直徑為930億光年(因為宇宙空間是超光速膨脹,所以大於138億光年)的宇宙範圍。宇宙的「未來視界」」就是最大的可觀測宇宙的邊緣,如果宇宙一直膨脹下去,經計算,未來視界的同移距離為620億光年,這是可觀測宇宙的最大值。
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙到底是什麼意思?真正的宇宙有多大?
    證據二:宇宙微波背景輻射。根據大爆炸理論,宇宙大爆炸至今應該還殘留著輻射,而在138億年前,宇宙還處於高溫下,後來又經過了138億年的膨脹冷卻,溫度已經變低了,科學家也觀測到了這個背景輻射,大約是2.7K,與理論吻合。
  • 宇宙的年齡只有138億年。為什麼可觀測宇宙的半徑是465億光
    通過現代技術測量,人類發現地球直徑12000公裡,周長40000公裡,地表面積5.1億平方公裡,其中陸地面積1.5億平方公裡,佔21%,海洋面積3.6億平方公裡,人類不僅測量過地球的大小,我們還知道太陽系的大小是2光年(包括奧爾特星雲),銀河系的直徑是10萬光年,銀河系至少有1000億恆星。
  • 為什麼說觀測到930億光年遠,而宇宙卻是138億年前誕生?其實很簡單
    因此,離我們更遠的物體後退的速度似乎比單純的膨脹率外推會更快,這是因為我們的宇宙不僅包含物質和輻射,還包含暗能量。膨脹率隨時間變化的方式取決於宇宙是由什麼組成的。在大爆炸後的頭幾千年裡,輻射佔主導地位。在那之後的數十億年裡,物質主宰一切。而今天,是暗能量。但是在大爆炸之前,宇宙以指數級的速度膨脹,這使得宇宙變平,並在任何地方賦予它均勻的性質。這是在宇宙膨脹時期。
  • 138億歲的宇宙,可觀測直徑930億光年,這與光速極限原則矛盾嗎?
    在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?其實簡單的回答,就是宇宙膨脹速度超過光速。但很多科普文章又強調,光速每秒約30萬千米,是宇宙中最高速度,任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了,這豈不矛盾嗎?難道科學可以翻手為雲覆手為雨,隨意亂點鴛鴦譜?
  • 138億歲的宇宙,可觀測直徑930億光年,這與光速極限原則矛盾嗎?
    在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?其實簡單的回答,就是宇宙膨脹速度超過光速。但很多科普文章又強調,光速每秒約30萬千米,是宇宙中最高速度,任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了,這豈不矛盾嗎?
  • 宇宙直徑930億光年,說明宇宙是有限的?霍金:有限無界
    浩瀚無窮的宇宙,到底哪裡是盡頭?宇宙是不是真的無窮無盡?宇宙到底有沒有邊界呢?有時候越往深處想,腦子裡就感覺越亂,甚至會出現一種讓人毛骨悚然的感覺。古往今來,天文學家對於宇宙的研究和探索一直都沒有停止過。隨著人類文明的發展,天文學家對宇宙的爭論也延伸到了宇宙是有限還是無限的問題上。如果宇宙是有限的,通過現代的科學技術就可以準確推算出宇宙的真實大小。
  • 宇宙直徑為930億光年,那麼宇宙之外叫什麼名字呢?
    很抱歉這不是宇宙的大小,這僅僅是可觀測宇宙的大小,是從138.2億年根據宇宙暴漲計算出來的可觀測宇宙直徑,而我們真正觀測到的天體是134億光年外的GN-Z11(可見光波段),136.8億光年(射電波段),儘管我們從可見光波段看到了134億光年外的GN-Z11,但事實上這個光線是從134億年前出發的,而宇宙在這世間內一刻都沒有停息的在膨脹!
  • 怎麼理解宇宙直徑是930億光年,而年齡只有138億年?
    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。
  • 930億光年外是宇宙的邊緣嗎?
    宇宙到底是有限還是無限的,這個謎團已經困擾人類幾百年甚至上千年,人類一直找不到確切的答案,歸根到底是因為人類實在太過於渺小了,按照人類目前的文明發展程度,要想探索宇宙的實際大小,就好比叫螞蟻去測量太平洋的大小,幾乎是不可能完成的任務。