宇宙的大小如何計算出的?

2021-02-15 人機與認知實驗室

1610 年 1 月 7 日,伽利略用自製的望遠鏡發現了圍繞著木星的四顆衛星。大約 400 年過去,我們觀察宇宙的「眼睛」和「視野」正在走向極限。

我們的宇宙到底有多大?在以前,如果你問天文學家這樣一個問題,你所得到的答案很可能僅僅是告訴你當今的天文望遠鏡能夠看多遠。現在,這種情況要改變了。宇宙學家的最新研究成果告訴了我們一個確切的數字:我們的宇宙直徑至少是780億光年。
1光年,就是光在一年的時間裡傳播的距離,大約相當於10億千米。目前人類的望遠鏡最遠能夠看到280億光年之外的宇宙景象。由此可以看出,我們的宇宙真的很大!那麼,既然宇宙如此之大,宇宙學家又是怎樣「量」出寧宙的大小的呢?

從過去看現在

   美國蒙大拿州大學的尼爾·考內什博士及其同事多年來一直在研究威爾金森微波背景輻射各向異性探測器(WMAP)的觀測數據。WMAP運行在地球之外150萬千米遠的地方,能夠極其敏銳地探測到宇宙大爆炸所遺留下來的餘溫,具體說來是宇宙大爆炸之後僅僅38萬年時的光線。通過研究宇宙各個方向上溫度的細微差異,宇宙學家就能夠了解到宇宙的許多物理性質。

   去年,法國巴黎天文臺的天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅等人基於WMAP的數據提出了宇宙有限的猜想。他們認為,宇宙的直徑可能僅僅是600億光年。在他們的模型中,宇宙的樣子就像是一隻大足球:它由12個兩兩相對而略微彎曲的正五邊形組成;但它沒有邊界,當你從任何一個五邊形走「出去」的同時,你立即會從與其相對的另一個五邊形走「進來」。

   「很遺憾,我們的宇宙很可能不是個小世界。」考內什在去年的一次研討會上就提出了對「足球宇宙」的質疑。
假如宇宙真如盧米涅所言是個小宇宙的話,那麼到今天,字宙中早期的星光就有可能環繞宇宙傳播了不只一圈。這樣的情況所造成的現象是,我們能夠在天空中不同的位置看到同一個天體的影像,我們甚至有可能看到早期的銀河系!

   然而,考內什等人經過研究,並沒有發現宇宙中存在這樣的景象。他們的研究為小宇宙假說留下的餘地已經很小了。

   考內什等人於今年5月份將他們的研究結果發表在了《天體物理學快報》上。他們在論文中稱,宇宙的直徑至少是780億光年,而進一步的研究可能會使這個下限提高到900億光年左右。但這樣的研究結論並不表示宇宙就一定是有限的,它僅僅是給出了一個下限,而真實的宇宙有可能比這還要大得多。
考內什還表示,假如盧米涅等人將他們的「足球」再擴大一些的話,則他們的模型仍然不能被否定。此外,「足球」之外的其他可能存在的更為複雜的宇宙結構還都沒有被新發現所排除。

理解780億光年

   宇宙的年齡是137億歲,因此,WMAP觀察到的宇宙中最早的光線到達我們這裡需要大約130多億光年。這裡很容易讓人產生迷惑:這樣的話,宇宙的直徑難道不應該是130多億光年的兩倍,也就是大約270億光年嗎?

   當然不是,雖然這不太好理解。宇宙從它誕生的那一刻起就在不斷膨脹,宇宙早期的光線傳播的實際路程因宇宙的膨脹而增加了。考內什打比方說,想像一下宇宙誕生一百萬年時,一束光線傳播了一年時間,經過的路程是1光年,那個時候的宇宙直徑只是現在的千分之一,所以那個時候1光年的路程隨著宇宙的膨脹,到了今天就是1000光年。考慮到這樣的效應,考內什等人才得出了780億光年的結論。

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