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?

2020-12-05 科學邊緣2049

霍金《時間簡史》的第一章名字叫「我們的宇宙圖像」

這一章的開篇,講了一個老婦人認為地球是一個「馱在一隻巨大烏龜上的平板」,而整個宇宙,就是一隻烏龜馱著一隻烏龜的烏龜塔,以現在的眼光來看,老婦人的這個宇宙模型是非常荒謬的,但真正的宇宙模型,要遠比烏龜塔抽象,甚至「離譜」。

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。

哈勃發現的宇宙膨脹,還為當時的宇宙大爆炸理論提供了第一個強有力的證據,讓這一理論得到了科學界的正視,加上後來宇宙微波背景輻射的發現,和氫元素豐度的研究,今天的宇宙大爆炸理論,已經成為了目前解釋宇宙形成與演化,最精準的理論。

為了紀念哈勃的貢獻,科學界將宇宙膨脹的速度命名為「哈勃常數」,但它並不是一個真正的不變常數,因為受限於測量技術,哈勃常數在最開始那段時間裡被反覆更新,甚至直到今天,哈勃常數的校準工作也仍在進行。

而比起哈勃常數的校準,科學家們更關心宇宙膨脹的「未來」

因為根據萬有引力和廣義相對論,宇宙大爆炸之後的膨脹不可能永遠持續下去,畢竟引力還在大尺度上發揮著作用,所以當時的科學界認為宇宙膨脹應該是一個減速過程,足夠長的時間過後,宇宙將在引力的作用下停止膨脹,甚至是在引力的作用下轉為收縮態。

但1998年,亞當裡斯的觀測事實表明,宇宙膨脹遠非科學家們想像的那麼簡單

簡單來說,亞當裡斯的研究團隊發現la型超新星的天體,可以憑藉其恆定的光度,成為宇宙尺度上的「標準燭光」,也就是說通過觀察不同距離的la型超新星,亞當裡斯團隊就能確定宇宙膨脹的減速率究竟是多少。

然而最終的結果是一個負數,宇宙膨脹的減速率竟然是一個負數...

這個負號說明宇宙膨脹根本沒有減速,而是在不斷加速,當時的科學界認為這種「違反萬有引力」的加速行為背後,是一種被稱為「暗能量」的東西在作怪,它佔到了宇宙質能總量的68.3%,因此在大尺度上抵消並「壓過了引力」,最終導致了宇宙的加速膨脹。

怎麼樣?這個「暗能量」是不是很熟悉?

用現在的眼光來看,暗能量的性質和當年愛因斯坦在初版廣義相對論中,加進去的「宇宙常數」完全一致,只不過愛因斯坦當時的宇宙常數和暗能量相比,還是太小了,愛因斯坦當時只想著讓宇宙常數在大尺度上抵消引力,進而讓宇宙保持一個不會在引力作用下坍塌的穩恆態。

但實際上的「暗能量」,不但在大尺度上抵消了引力,而且還壓過了引力,使得我們的宇宙加速膨脹,這一點可能連愛因斯坦也沒想到,或者說沒敢想到,畢竟憑空假設出一個佔宇宙質能總量68.3%的暗能量,對任何一個理論物理學家來說都是難以想像的。

現階段的觀測證明了宇宙的加速膨脹,也證明了距離地球越遠的星系,遠離地球的速度就越快,按照目前的推論,如果宇宙一直這麼加速膨脹下去的話,星系之間的距離將會越來越大,超大規模的天體系統,

比如巨引源或者室女座超星系團,將首先被宇宙膨脹的力量撕開,隨著時間的推移,星系團和星系群也會被撕開,最後宇宙中每個原子都會被撕開。

總結

引發宇宙加速膨脹的罪魁禍首,目前看來就是暗能量,但可惜的是人類現在對暗能量還一無所知,除了宇宙加速膨脹本身這一反常現象外,目前還沒有其他跡象,能強有力證明暗能量是存在的。

所以在未來,暗能量也可能會被推翻。

相關焦點

  • 離地球越遠的星系遠離地球的速度越大,難道地球是宇宙的中心?
    幾千年來,人類對宇宙的認識是不斷深入的。古希臘時期人類將自己生活的地球看成是宇宙的中心,古埃及學者託勒密將地心說發展成一套比較完善的理論。中世紀時期,哥白尼提出了日心說,地球是宇宙中心的觀念首次被動搖。宇宙的中心從地球轉移到太陽,這暗示著太陽很可能也不是宇宙的中心。
  • 為什麼遠處星系比近處星系的移動速度快,是否預示宇宙存在中心?
    哈勃根據這種光譜現象,推斷出距離地球越遠的星體,其遠離地球的速度就越快,從而為證實宇宙不斷膨脹提供了有力的證據。宇宙膨脹的速度1929年,哈勃根據長期的觀測,根據星系退行速度、與地球距離之間的關係,測算出二者存在的正比規律,並給出了測算值H=500,這個值就是哈勃常數。
  • 為什麼仙女座星系與銀河系會在膨脹的宇宙中相撞?
    在每個點看來,其他點都在遠離它,它就如同是膨脹的中心。並且距離越遠的點,退行速度也會越快,因為距離越遠,單位時間內它們之間的距離增加越多。宇宙的膨脹方式也是類似於此,所有的空間都在膨脹,從而導致空間之中的星系互相遠離。那麼,空間膨脹速率有多快呢?哈勃常數可用于衡量空間膨脹速率,但這個常數很難精確測定,目前已知的數值大約為70 (km/s)/Mpc(70千米每秒每百萬秒差距)。
  • 星系距離和空間膨脹的解讀
    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。
  • 星系退行速度的大小和星系距離之間的關係
    6頁,但這篇文章在觀測宇宙學裡面起了開創性的貢獻,論文所展示的最重大的成果就在一張圖上面,圖的橫坐是星系的距離,圖的縱坐標是星系遠離退行的速度,根據這些觀測的數據點哈勃發現它們兩者之間的遵循一個正比例的關係,於是就用了一個公式「V=HD」,速度等於常數乘以距離,這個常數用H來表示也就是哈勃名字的首字母稱為叫「哈勃常數」,其實哈勃最初得到哈勃定律的時候,他所估計的哈勃常數大小遠遠超過我們今天現代精確測量的值
  • 宇宙中超光速的困惑:宇宙膨脹與退行速度!
    哈勃定律中的退行速度與距離成正比,如果宇宙是無限的,當距離大到一定的時候,速度必定要超過光速。事實上,並不需要假設宇宙無限,在現今可觀測的距離範圍,退行速度已經超過光速。光速不變和光速不可超越,是狹義相對論的假設條件。其中涉及的距離及時間概念都需要在平坦的閔可夫斯基時空中來理解。
  • 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?
    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?
  • 如何從星系的退行速度推斷出星系距離?
    問:科學家如何確定宇宙的年齡,以及遙遠星系的距離(以光年或公裡為單位)。我當時理解紅移決定退行速度,但是我不明白它與距離之間的關係。答:答案很簡單,但是解釋起來有點複雜。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。
  • 宇宙最快星系,遠離速度達2.3倍光速,為什麼它沒有違背相對論?
    不管物體的速度有多快,它最多只能無限接近光速,在很多人看來,超光速現象是不存在的,那事實真的如此嗎?當然不是。事實上,在浩瀚的宇宙中就存在超光速現象,比如宇宙的膨脹,要知道宇宙大爆炸到現在是138億年,而目前人類可觀測宇宙範圍達930億光年。可見,宇宙膨脹的速度是遠超光速的,而且宇宙中有一個星系,它遠離我們的速度也超越了光速,達到了2.3倍光速。
  • 宇宙膨脹論荒謬至極
    ,離去的速度就越快這樣一個天文觀測結果。得出結論認為:整個宇宙在不斷膨脹,星系彼此之間的分離運動也是膨脹的一部份,而不是由於任何斥力的作用。自此宇宙膨脹便成為了國際學術界的共識,其中主流觀點認為:宇宙就像是一個正在膨脹的氣球,星系就是氣球表面上的點。宇宙不斷膨脹,氣球表面的每個點也會隨之不斷向外膨脹,使彼此離得越來越遠,而且離得越遠的點退行速度越快。隨著時間的發展,宇宙將一直膨脹下去,最終走向滅亡。
  • 科學家分析了842個星系,發現宇宙的膨脹速度在各方向都不一樣
    自從1929年美國的天文學家哈勃觀測到宇宙中各星系都在相互遠離後,逐漸得出了「宇宙正在膨脹」的學說,膨脹速度是超光速的,並且各個地方、各個方向的膨脹速度是均勻的。一組科學團隊研究了842個星系團,得出了一個新結論:宇宙的膨脹速度可能在各個方向都不相同在1929年以來,「宇宙均勻膨脹」的學說一直都沒有人反對過。
  • 有質量物體不可能達到光速,但宇宙膨脹超過光速,是否自相矛盾?
    空間的運動,準確地說應該叫做「膨脹」,這個膨脹是從一點(比如說奇點)向周圍的膨脹,是任意兩點之間相互遠離的膨脹。相互距離越遠的兩點,其相互遠離的速度越大,這就像我們吹氣球,氣球上的每一點都在遠離其他所有點,且離得越遠的,遠離速度越大。這充分說明了宇宙空間在膨脹,且還是加速膨脹,越來越快。
  • 距地球320億光年的星系,速度可達2.3倍光速,它跟相對論相悖嗎?
    當人類走出地球之後,開始了對宇宙的初步探索研究,而我們探索觀測宇宙的重要工具就是天文望遠鏡,科學家通過天文望遠鏡已經能夠觀測到2萬億個星系,其中離我們最近的河外星系只有幾萬光年,最遠的河外星系則在上百億光年之外。通過觀測宇宙中的這些星系,科學家發現了一個事實,那就是它們的光譜大都顯示出紅移,而且距離越遠紅移值越大。
  • 宇宙現在還在膨脹,是正確的嗎?
    我們常說,通過測量遙遠星系的紅移,就可以知道星系正在離我們遠去,並且越遠的星系遠離我們的速度越快。現在有人提出質疑:比如說一個10億光年遠的星系發出的光出現紅移,就說它正在遠離我們而去,問題它是十億年前的事,而它現在是否還在遠離,我們並不知曉,怎麼能說宇宙現在還在膨脹呢?
  • 宇宙的異樣!最新測量發現宇宙膨脹的速度突然加快了!
    80年前,天文學家哈勃發現了一個震驚全世界的秘密:所有的星體、星系都在互相遠離,離得越遠,速度就越快,這一切都說明了一個震撼的事實:宇宙正在膨脹!但是一項新的測量表明宇宙的膨脹速度比我們想像的要快,我們的宇宙到底怎麼了?
  • 在未來宇宙只會膨脹的越來越快,直到有一天甚至粒子都會撕碎
    但這並不意味著宇宙的真實範圍,只是距離我們465億光年遠外的星系或者物質的光剛剛到達地球被我們看到,而距離更遠的光尚還沒有來到地球。更簡單的來說,可觀測宇宙範圍是和人類能產生因果關係的範圍。千萬提到了宇宙膨脹是超光速的,這是目前被認可的超光速案例之一,宇宙中光速並非是最快的,愛因斯坦對於光速的準確描述如下:如果物體有靜止質量,那麼它的速度永遠無法達到光速,例如光子的靜止質量為零,它的速度就為光速,中微子等質量非常的小,但依然是有質量的,所以即使速度很快但還是無法達到光速; 信息的傳遞速度無法超過光速,這一點也很好理解,目前信息最快的傳遞方式就是光速了,例如無線電信號等
  • 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?
    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。
  • 在138億年裡,宇宙如何從奇點膨脹到24萬億光年的範圍?
    根據目前最為精確的觀測結果來估計,宇宙起源於138億年前的時空奇點,可觀測宇宙目前已經膨脹到半徑為465億光年的範圍,不可觀測宇宙的半徑更是有可能達到12萬億光年。顯然,宇宙的膨脹速度已經遠超光速,遙遠宇宙中的星系會以數倍光速的速度在遠離我們。
  • 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?
    另一個主角仙女座星系,則是距離銀河系最近(254萬光年)的星系,直徑在22萬光年以上,恆星數量在1500-6000億顆之間,質量比銀河系大一些。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。進入上世紀20年代,美國天文學家埃德溫·哈勃在此基礎上觀察造父變星時,同樣發現了這一紅移現象,而且發現距離地球越遠的星系,其紅移現象越明顯,說明遙遠的目標天體正在加速遠離地球,從而證實了宇宙加速膨脹的事實,這一發現使愛因斯坦不得不在自己的引力場方程中刪除了用以維持宇宙靜止狀態的宇宙常數。
  • 宇宙膨脹速率如何測出
    這個數值表示宇宙空間每增加326萬光年的距離,星系遠離的速度增加每秒74.3公裡,誤差在正負2.1公裡。最新的計算結果把宇宙膨脹速率的不確定度降低到3%左右。廣義相對論原本包含宇宙膨脹結論現代宇宙論有兩大支柱,一個是愛因斯坦的廣義相對論,另一個是哈勃定律。