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直径至少23万亿光年!整个不可观测宇宙有这样大?

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发表于 2018-7-15 20:00:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
大家经常能看到关于宇宙的描述或天文学的研究大多是基于已知宇宙(即可观测宇宙),可能你很少看过或不知晓关于宇宙学研究关于不可观测宇宙部分的研究,那么今天“博科园”就带你领略宇宙的风骚!从简单的集合来看,可观测宇宙是包含在不可观测宇宙之中,可以想象一下两个大小相差很大的非/同心圆类比。

直径至少23万亿光年!整个不可观测宇宙有这样大?22 / 作者:cdixeji / 帖子ID:32970,139743



宇宙暴胀引发了热大爆炸,创造了可观测到的宇宙,但我们只能测量膨胀对宇宙最后一秒的影响。然而这足以提供大量的预测,其中许多已经在观测上得到了证实。图片:E.Siegel,ESA/Planck和DoE/NASA/NSF关于CMB研究获得的图像

可能你会说可观测宇宙都没研究透更甚至说地球都没研究透,来研究不可观测宇宙有何意义?如果你这样想,那么你就太不懂理论研究之美了!(至少因为科学家很多啊:你研究地球,我研究行星,他研究恒星,她研究星系,可谓各有专攻,并不是所有人都去研究同一领域)。

博科园-科学科普:138.17亿年前宇宙大爆炸诞生了宇宙,可观测宇宙充满了物质、反物质、辐射,并存在于超热、超致密、但膨胀和冷却状态。直到今天,包含人类可观测宇宙的体积半径已经膨胀到460亿光年(也称哈勃体积(也有±误差),而今天第一束到达我们眼睛的光与所能测量的极限相对应。但除此之外还有什么?那么不可观测的宇宙呢?

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这张NASA/ESA哈勃太空望远镜拍摄的图像显示了一个巨大的星系团PLCK_G308.3-20.2在黑暗中发光。这就是浩瀚的宇宙的样子。但是人类所知道的宇宙究竟有多大,包括不可观测的部分,还会继续下去吗?图片:ESA/HUBBLE & NASA, RELICS; ACKNOWLEDGEMENT: D. COE ET AL.

我们知道可观测到的宇宙大小,因为知道宇宙的年龄(至少从相变以来),并且知道光的辐射。那为什么不包括在宇宙微波背景辐射(CMB)和其他预测之间的数学运算会告诉我们宇宙整个的规模?知道宇宙有多热,而现在有多冷,宇宙规模不会影响这些计算吗?但,要是这么简单就好了。

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人类使用各种工具和望远镜可以看到的宇宙历史已经很好地确定了。但是观测仅可以为我们提供关于可观测部分的证据。其他的一切都必须被推断出来,而这些推论只和它们背后的假设一样好。图片:SLOAN DIGITAL SKY SURVEY

今天的宇宙是寒冷和“凝块”的,但它也在膨胀和引力聚集。当看到越来越远的距离时,看到的东西不仅是遥远的,而且由于有限的光速而看到过去。越远的宇宙越不容易形成块状和更均匀,其具有更少的时间以形成更大、更复杂的结构,其需要更多的时间来进行引力效应。早期的宇宙也更热,膨胀的宇宙使穿过宇宙时空所有光的波长都变长了。当波长变长时,它就会失去能量,变得更冷。这意味着宇宙在遥远的过去是更热的,这一事实科学家已经通过对宇宙中遥远特征的观察得到证实。

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2011年的一项研究(红点)已经给出了迄今为止最好的证据,证明CMB过去的温度更高。远距离光的光谱和温度特征证实了我们生活在膨胀的空间中。图片:P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX AND S. LOPEZ, (2011). ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 526, L7

人类可以测量宇宙的温度,就像在宇宙大爆炸后138亿年的今天,通过观测那个炽热的,致密的,早期状态的残余辐射。今天它出现在光谱的微波部分,被称为宇宙微波背景辐射(CMB),特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同,很容易确认这些观测结果与我们宇宙大爆炸模型的预测相符。

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太阳的实际光(黄色曲线(左)与完美黑体(灰色),表明太阳更多的是由于其光球层的厚度而产生一系列黑体;右边是由COBE卫星测量到宇宙微波背景辐射(CMB)真实的完美黑体。注意右边“误差条”是惊人的400。理论与观测之间一致是历史性的。图片:WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R)

此外我们知道随着宇宙膨胀,这种辐射是如何在能量中演化的。光子能量与波长的倒数成正比。当宇宙只有现在的一半大小时,大爆炸产生的光子能量是现在的两倍,而当宇宙只有现在的10%时,这些光子能量是现在的10倍。如果我们回到宇宙只有现在的0.092%时,会发现宇宙比现在温度高1089倍:大约3000K。在这样的温度下,宇宙足够热,可以电离其中的所有原子,宇宙中所有的物质不是固体、液体或气体,而是电离的等离子体。

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宇宙中电子和质子是自由的,它们与光子发生碰撞,在宇宙膨胀和冷却的过程中,转变成对光子来说是透明的中性宇宙。图这里显示的是在宇宙微波背景辐射(CMB)发射之前的电离等离子体(L),接着是向一个中性宇宙(R)的过渡,这对光子来说是透明的。图片:AMANDA YOHO

达到今天宇宙大小的方式是通过对以下三点共同理解:

1、今天的宇宙膨胀速度有多快,可以通过很多方法来测量

2、今天的宇宙有多热,可以从宇宙微波背景辐射中得知

3、宇宙是由物质,辐射,中微子,反物质,暗物质,暗能量,等等组成

通过今天所知宇宙,可以推断出热大爆炸的最早阶段,并得出宇宙的年龄和体积大小的数据。

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宇宙的大小以光年为单位,与大爆炸后的时间相比,这是在对数标度上给出的,其中为了清楚而注释了大量重要事件,这仅适用于可观测到的宇宙。图片:E. SIEGEL

从所有可用的观测资料中:包括宇宙微波背景,但也包括超新星数据,大规模结构测量和重子声学振荡等等,得到了宇宙在大爆炸138亿年后的现在是461亿光年半径。这是可观测的极限值。再远一点,即使是自大爆炸那一刻起以光速运动的物体也没有足够的时间到达地球。随着时间推移,宇宙的年龄和大小将会增加,但人类所能观测到的东西总是有限度的。

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艺术描绘可观测宇宙的对数尺度概念图。请注意:人类观测范围是有限的,从大爆炸以来所发生的时间来看:138.2亿年或者(包括宇宙的膨胀)460亿光年。任何生活在宇宙中的人,无论在什么地方,都能从他们有利位置看到几乎完全一样的东西。图片:WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI

那么对于宇宙中超出可观测范围部分我们能说些什么?只能根据所知道的物理定律,以及可以在可观测宇宙中测量的事物做出推论。例如我们观测到在最大的尺度上,宇宙在空间上是平坦的:它既不是正曲线,也不是负曲线,精确到0.25%。如果我们假设目前的物理定律是正确的,就可以对整个宇宙的大小设定限制,至少在宇宙重新弯曲回到自身之前,必须对宇宙的大小做出限制。

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热点和冷点大小以及它们的尺度,表明了宇宙的曲率。尽人类最大的能力,我们测量宇宙是完全平坦的,重子声学振荡提供了一种不同的方法来约束这一点,但也有相似的结果。图片:SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL

斯隆数字巡天和普朗克卫星观测是我们获得最佳数据的方式。告诉我们如果宇宙确实在自身和闭合的情况下弯曲,我们能看到的部分与“不弯曲”是如此难以区分,以至于它至少是可观测部分半径的250倍。

这意味着不可观测宇宙,假设没有拓扑的奇异性,直径必须至少有23兆光年(23万亿光年),并且包含的空间体积是人类所能观测到体积的1500万倍。然而,如果我们愿意推测,可以相当有说服力地争辩说:不可观测宇宙应该比这大得多。

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从地球人类的角度来看,可观测宇宙半径可能有460亿光年,但肯定有更多的不可观测宇宙,甚至可能是无限的,就像我们的宇宙一样。随着时间的推移可以看到一些,但不是很多。图片:FRDRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, ANNOTATED BY E. SIEGEL

正如我们所知:大爆炸可能标志着可观测宇宙的开始,但它并不标志着空间和时间本身的诞生。在热大爆炸之前,宇宙经历了一段宇宙暴胀时期。宇宙不是充满物质和辐射,也不是炽热,而是:

1、充满了空间结构本身的固有能量

2、以恒定的指数速率膨胀

3、创造新空间的速度如此之快,以至于最小物理长度尺度(即普朗克尺度),每10^-32秒就会延伸到目前可观测宇宙的大小

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膨胀导致空间呈指数级扩张,这很快就会导致任何已经存在的弯曲或非光滑的空间看起来都是平坦的。如果宇宙是弯曲的,它的曲率半径至少是我们能观测到的几百倍。图片:E. SIEGEL (L); NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

在我们这个宇宙区域,膨胀已经结束了,但有三个问题我们不知道答案会对宇宙的真实程度产生巨大影响?以及宇宙是否无限?

1、暴胀后的宇宙区域有多大,而创造了我们这个宇宙的热大爆炸?

2、“永恒膨胀”的概念,至少在某些区域,宇宙永远膨胀到未来是正确的吗?

3、暴胀在结束前持续了多长时间以及由此产生的热大爆炸?

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(多元宇宙)大量发生大爆炸的独立区域被不断膨胀的空间分隔开来。但我们不知道如何测试,测量或者接触到我们无法观测到宇宙之外的东西。图片:OZYTIVE - PUBLIC DOMAIN

除了所能观测到的,科学家强烈地怀疑还有很多宇宙和我们这个一样,有着同样的物理定律,同样的物理结构,同样的宇宙结构,同样复杂生命的机会。在暴胀结束的“泡沫”中,也应该有一个有限的大小和规模,而在暴胀的时空中,有指数级的巨大泡沫被包含在内。但正如整个宇宙(或多元宇宙)不可想象的大,它可能不是无限的。事实上,除非暴胀持续了无限长的时间,或者宇宙生来就是无限大的,否则宇宙的范围将是有限的。

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尽管可观测到宇宙是如此之大,我们所能观测到的范围如此之广,它也只是所能观测到宇宙的一小部分而已。图片:NASA, ESA, R. WINDHORST, S. COHEN, AND M. MECHTLEY (ASU), R. O’CONNELL (UVA), P. MCCARTHY (CARNEGIE OBS), N. HATHI (UC RIVERSIDE), R. RYAN (UC DAVIS), & H. YAN (TOSU)

但最大的问题是:目前没有足够的信息来明确回答这个问题,现阶段或也只能给出理论上推论的答案;我们只知道如何在可观测宇宙中获取现有的信息(在460亿光年的所有方向上)。对于宇宙是有限的,还是无限的最大问题答案可能是在宇宙中被编码的,但是我们无法获得足够的信息来知道。除非能找到答案,或者想出一个聪明的方案来扩展人类所知道的物理学能力,否则我们所能得到的只有理论推论可能性。

博科园-科学科普|文:Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

博科园-传递宇宙科学之美

本文选自:今日头条
发表于 2018-7-15 20:00:57 | 显示全部楼层
至少八百万亿光年,说呗,反正不花钱
发表于 2018-7-15 20:01:07 | 显示全部楼层
木瓜掉进水井里,噗(不)通(懂)
发表于 2018-7-15 20:01:44 | 显示全部楼层
我感觉宇宙有无数个,我们只是在其中一个
发表于 2018-7-15 20:02:40 | 显示全部楼层
要是宇宙大爆炸,谁知道是不是?推测的东西是有疑问的,不必跟从西方的理论来走,要找其他的路来观测宇宙。
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