宇宙到底有多大,可能不只是你想象的那麼大!

  

  我想您問的是不是體積?要知道體積,那麼必須得知道一個半徑或直徑。整個宇宙的大小可能為無限大,但目前未有定論。不過有個值是可以確定的,那就是人類目前可觀測到以地球為中心的直徑大約為930億光年的宇宙範圍。

  

  這一問題會涉及到可觀測宇宙、觀測宇宙學、宇宙的年齡和空間度量擴張幾個知識。

  威爾金森微波各向異性探測器所拍攝的宇宙背景輻射影像,圖:NASA / WMAP Science Team

  可觀測宇宙

  可觀測的宇宙是宇宙的一個球形區域,包括目前從地球上觀測到的所有物質,因為自宇宙膨脹開始以來,來自這些物體的電磁輻射就有機會到達地球。在可觀測宇宙中至少有2萬億個星系。假設宇宙是各向同性的,那麼到可觀測宇宙邊緣的距離在每個方向上都是大致相同的。也就是說,可觀測宇宙具有以觀察者為中心的球形體積(球)。宇宙中的每一個位置都有它自己的可觀測宇宙,它可能與地球上的宇宙重疊也可能不重疊。

  從這個意義上說,可觀測這個詞並不指現代技術檢測來自物體的光或其他信息的能力,或者說檢測是否有任何東西存在。它指的是光速本身所產生的物理極限。因為沒有任何物質傳播得比光快,所以在宇宙年齡範圍內(2015年數據估計為137.99±0.21億年),任何比光傳播得更遠的物體都不能被探測到,因為它們還沒有到達我們的探測器。有時,天體物理學家區分可見的宇宙和可觀測的宇宙時,可見的宇宙只包括自重組(複合)以來發射的信號,可觀測的宇宙包括自宇宙膨脹開始以來的信號(傳統物理宇宙學中的大爆炸,現代宇宙學中暴脹時期的終結)。

  根據計算,當前的同移距離-適當距離,自發光以來宇宙已經膨脹到可以發射宇宙微波背景輻射(CMBR)的粒子,即可見宇宙的半徑大約為140億秒差距(約457億光年),而到可觀測宇宙邊緣的來回距離大約是143億秒差距(約466億光年),比可見宇宙的半徑大了約2%。因此,可觀測宇宙的半徑估計約為465億光年,其直徑約為285億秒差距(930億光年,

  公里或

  英里)。宇宙中普通物質的總質量可以利用臨界密度(弗裡德曼方程)和可觀測宇宙的直徑計算,其值約

  千克。

  眾所周知,由於宇宙的膨脹會加速,並且在未來會呈指數增長,所有遙遠的物體所發出的光,在過去的一段時間裡主要取決於它們當前的紅移,因此發出的光永遠不會到達地球。未來,所有目前可觀測到的物體都將在時間上慢慢地凍結,同時發射出逐漸變紅和逐漸變暗的光。例如,當前紅移的z值從5到10的物體將在40億至60億年內保持可觀測性。此外,目前位於一定同移距離(約190億秒差距)以外的物體發出的光永遠不會到達地球。

  大小和地區

  宇宙的大小有點難以定義。根據廣義相對論,光的速度是有限的,並且宇宙空間在不斷地膨脹,所以在宇宙的有生之年內,遙遠的空間區域永遠不可能與我們相互作用(光不可達到)。例如,即使宇宙永遠存在,從地球發送的無線電信息也永遠不會到達空間的某些區域,空間膨脹的速度可能比光穿越其空間的速度還要快。

  遙遠的空間區域與我們一同存在並且是現實的一部分,即使我們永遠不能與它們相互作用。我們將可以影響和被影響的空間區域劃為可觀測的宇宙。,可觀測的宇宙取決於觀測者的位置。通過移動,觀測者可以接觸到比靜止觀測更大的時空區域。但是,即使是最快速的移動也無法與所有的空間進行交互。一般來說,可觀測的宇宙是指從我們銀河系中一處有利的位置(太陽系)所觀測到的宇宙中的一小部分。

  同移距離-在特定時間,包括地球與可觀測宇宙的邊緣之間的距離是460億光年(140億秒差距),因此可以得到可觀測宇宙的直徑大約為930億光年(280億秒差距)。光從可觀測宇宙的邊緣所移動的距離非常接近宇宙的年齡乘以光速,即138億光年(

  秒差距),但是這並不代表任何給定時間的距離,因為可觀測宇宙和地球的邊緣已經移動得更遠了。相比之下,一個典型星系的直徑是30000光年(9198秒差距),兩個相鄰星系之間的典型距離是300萬光年(919800秒差距)。例如,銀河系的直徑大約為100000-180000光年,與銀河系最近的姐妹星系-仙女座星系的距離大約為250萬光年。

  因為我們不能觀測到超出可觀測宇宙邊緣的空間,所以我們並不知道宇宙的整體大小是有限的還是無限的。對於宇宙總大小的估計,如果有限的話,它將高達百萬秒差距,這是由無邊界提案的一個決議暗示得出的。

  這是對可觀測宇宙大小最普遍的誤解之一。儘管宇宙年齡是138億歲,但因為宇宙膨脹,到可觀測宇宙的邊緣並不是138億光年。圖為位於紐約市羅斯地球與太空中心的一塊牌匾。圖:Rogerstrolley

  地球在宇宙中的位置

  地球 地月系 內太陽系 太陽系 本地星際雲 本地泡 古爾德帶 獵戶臂 銀河系 銀河系次集團 本星系群 室女座超星系團 拉尼亞凱亞超星系團 雙魚-鯨魚座超星系團複合體? 可觀測宇宙 宇宙

  我們在可觀測宇宙中的位置。圖:Andrew Z. Colvin

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  文章作者:天文在線

  審核人員:星天日和

  最終審核:零度星系

  編輯用時:2018年11月21日-2018年11月23日(花費時長:約8個小時)

  審核用時:

  最後更新:2019年2月10日星期日2019年1月29日星期二

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  全文排版:天文在線(零度星系)

  

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