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23万亿光年,不可观测宇宙有这么巨大?科学家是怎么计算的?

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大约138亿年前,在一个奇点中,我们的宇宙诞生了。它通过一种叫做大爆炸的机制形成,和一种名叫暴胀的模式迅速扩大,最终经历了138亿年的岁月,变成了今天的模样。

(图片说明:宇宙大爆炸的模拟动画)

直到今天,宇宙仍然在膨胀。由于一种名叫暗能量的机制能够产生斥力,使得膨胀过程还在加速,以至于在足够远的位置上,空间的膨胀速度甚至超过了光速。在那以外的宇宙天体,即使发出光线,也无法传播到地球,这就是不可观测宇宙。

根据目前的研究,可观测宇宙的半径达到了465亿光年,这已经非常巨大了。而外面的不可观测宇宙,还要更加遥远、更加巨大。那么,不可观测宇宙到底有多大呢?

首先,咱们来看看可观测宇宙有多大。这个问题,还要从宇宙大爆炸说起。

(图片说明:哈勃望远镜拍摄到的遥远星系团)

根据目前的研究,宇宙大爆炸的一瞬间,我们的宇宙达到了迄今为止最高的温度——普朗克温度,也就是1.4亿亿亿亿摄氏度。在宇宙膨胀的过程中,物质密度逐渐降低,温度也在不断下降。

大约在宇宙大爆炸的38万年后,随着宇宙温度的降低,质子和电子结合在一起。在这个时候,宇宙中的光子才得以自由移动。这时候光子形成的电磁波,在经历了138亿年后,在红移的作用下,已经被拉长到了微波波段,因此就形成了著名的宇宙微波背景辐射(CMB),它也被称为大爆炸的余晖。

(图片说明:宇宙微波背景辐射)

今天,CMB成为了科学家们研究早期宇宙的重要工具,其特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。

我们知道,光的能量与其频率成正比,也就是和波长成反比。这意味着,随着宇宙的膨胀,这些辐射的能量也在降低。当宇宙只有今天一半大的时候,宇宙初期的光子就具有比现在多一倍的能量。

(图片说明:2011年的一项研究告诉我们,CMB的温度确实是一直在下降的)

继续这样追溯,当宇宙只有今天0.092%的尺寸时,它的温度就是今天的1089倍左右,也就是3000K。这就是大爆炸后38万年,亦即宇宙微波背景辐射产生时的状态。超过这个温度,原子就会变成等离子态,导致光无法在宇宙中传播。

(图片说明:当宇宙温度降低到3000K以下,质子和电子结合,光子才能自由传播,CMB由此产生)

今天的宇宙到底有多大,听起来的确是一件非常难以测量的事,不过科学家们还是找到了一些测量方法。

  1. 宇宙的膨胀速度,这可以通过CMB或者是遥远星系的红移等方法进行测量;
  2. 目前宇宙的温度,同样通过CMB来进行测量;
  3. 宇宙的组成部分,包括我们的可见物质、各种辐射、反物质、暗物质、暗能量等等可能存在的质能。

通过这些,科学家们就能够回顾宇宙大爆炸的历史,并且推测出今天宇宙的大小,以及宇宙的膨胀历程。

(图片说明:可观测宇宙膨胀历程,两个单位均取对数)

正是根据这些数据,帮助我们梳理了宇宙大爆炸后膨胀的历程。在综合了CMB、超新星数据、重子声学振荡等多种数据后,科学家指出:目前的宇宙半径大约是465亿光年,也就是直径930亿光年。

不过要注意:这是可观测宇宙的尺寸。至于不可观测宇宙,由于我们得不到上述数据,因此也无法这么计算它的尺寸。随着宇宙的膨胀,可观测宇宙的边缘也将逐渐超越光速膨胀,成为不可观测宇宙的一部分。

(图片说明:可观测宇宙艺术图)

那么,在直径930亿光年以外的不可观测宇宙,又是什么模样呢?它应该也是充满了各种各样的星系、暗物质、暗能量等等结构,那么,它的尺寸又有多大呢?

这些都是我们观测不到的,因此只能通过可观测宇宙进行一点推测。

目前来说,科学家们普遍认为,我们的宇宙是平坦的,不论是有正曲率还是负曲率,都不会很大。我们可以通过现有的理论进行推测,看看完整的宇宙需要有多大的规模,才能够达到“卷曲”回来的程度。

就好像我们看到的大地是平的一样,不可观测宇宙一定要比可观测宇宙大得多得多,才能让我们看到的部分仿佛被“拉直”了。所以,它要有多大才能让我们“误以为”可观测宇宙是平坦的呢?

(图片说明:宇宙中的热斑和冷斑的规模可以帮助我们测量宇宙空间的曲率,证明了宇宙是平坦的)

美国的斯隆数字巡天项目和欧洲的普朗克卫星,都是我们进行这种观测的重要工具。它们的观测数据告诉我们,如果不可观测宇宙确实是和自己闭合的,那么它的半径至少要达到可观测部分的250倍,才能让我们看不出可观测宇宙是弯曲的。

换句话说,不可观测宇宙的直径可以达到230000亿光年,其体积则是可观测宇宙的1500万倍以上!

巨大,太巨大了!

你以为这就结束了吗?不!

(图片说明:不论朝哪个方向看,可观测宇宙边界都有465亿光年的距离)

想想看,我们估算的不可观测宇宙直径,选择的是它最小的情况。这意味着,它一定比23万亿光年还要巨大!

在宇宙的最早期,有一段时期非常特殊,那就是暴胀期。暴胀期持续的时间连一瞬间都算不上,但却急剧膨胀到了我们完全无法想象的程度。科学家指出,如果暴胀期持续哪怕仅仅10^-32秒,就足以让一个普朗克长度(1.6x10^-35米)膨胀到今天可观测宇宙这么大!

那么,我们的宇宙是无限大的吗?

(图片说明:恐怖的暴胀期)

对于这个想法,科学家们还是有所怀疑的。除非暴胀期持续了无限长的时间,或者是宇宙在诞生的时候就是无限大的。否则,即便宇宙再大,也总会有个界限。

在讨论这个问题的时候,我们甚至还没有考虑到另外一个概念——平行宇宙。也许在我们的宇宙之外,还有非常非常多的其他的宇宙,它们也会经历暴胀期和加速膨胀。平行宇宙如果存在,那么它们的数量应该也是个极其惊人的量级。所有这些宇宙加在一起,又会有多么巨大呢?

(图片说明:平行宇宙是很有可能存在的)

对于目前的我们来说,这些问题仍然会在相当长的时间里悬而未决。我们的科技水平,目前还的确不足以解释这些问题。而且,即便宇宙是有限的,对于我们的航天技术来说,也约等于无限了……

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