天文观测:“宇宙微波背景辐射”,宇宙起源在哪,边界又在哪?

要知道,对于我们这样的“凡人”来讲,宇宙是一个令人不可思议的地方。与宇宙所经历的时间相比,我们的一生连一瞬间都算不上。

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群星宇宙

那些我们所熟知的,永恒不变的事物,比如空间,时间,在宇宙的尺度上,表现出来的样子可能和我们理解中的完全不同。

前置知识

为了回答宇宙大爆炸的起源问题,我需要讲一些前置的背景知识

关于宇宙起源的主要理论是大爆炸理论,在不涉及其中细节的前提下,我将其总结成以下内容。

大约 137 亿年前,今天宇宙中的一切都被塞进了一个零大小的空间,随后,在某个瞬间,这个点开始膨胀。

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宇宙大爆炸

随着宇宙不断膨胀

时间机器

现在,我们将宇宙膨胀恒定的光速相结合,就可以把宇宙变成一台时间机器。当我们望向星空,我们看到的不是群星现在的样子,而是之前的样子。


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宇宙时间机器

我们在近处中看到的星系更为庞大,它们有着更为优雅鲜明的形状,而不是一团庞大的气体云。这是因为我们现在看到的只是这个星系几百万年前的样子,而它们已经演变了数十亿年,所以它们看上去更加成熟与庞大


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螺旋星系


另一方面,随着我们观察越来越遥远的星系,这些星系显得更年轻

数十亿光年以外的星系在宇宙大爆炸后不久就会出现,正是因为它们发出的光要花费很长很长的时间才能到达地球,所以我们看到的是它们“婴儿时期”的样子,我们能发现,有大量的恒星在它们内部生成。


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恒星诞生


但实际上,重要的是,这些星系其实和我们一样古老,由于宇宙膨胀,我们无法观测到它们现在处于宇宙的何处,但可以肯定的是它们会在更为遥远的区域。

同样重要的是,我们应该意识到,宇宙是没有中心的,这句话也可以说成,任何地方都是宇宙的中心。因为无论我们身在何处,地球上,还是十亿光年之外,宇宙中的一切事物都在远离你,一切都在远离一切。

顺便说一句,星系间的引力将它们相互聚集,与此同时宇宙膨胀的力量要将它们分离。这种相互作用,最终会使得宇宙中产生气泡或者细丝结构,而这些结构,会随着宇宙的膨胀变得越来越大。


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宇宙的细丝结构

哈勃常数

你可能听说过“哈勃常数”,它用来描述宇宙膨胀的速率。目前科学界普遍认为是:每小时 8 万公里/百万光年。

也就是说,对于一个直径一百万光年的区域,它每小时膨胀 8 万公里,同理,一亿光年的区域,每小时将扩大 800 万公里。


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超星系团


哈勃常数意味着整个宇宙在以超过光速的速率膨胀,意味着我们周围存在着一个现在任何科学手段都无法观测到的球体,在它之外的一切事物,远离我们的速率超过光速,也就意味着它们发出的任何光都永远无法到达地球。

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不可观测的球体

可观宇宙

而这个球体就是所谓的“可观测宇宙”,相信你已经听过这个术语。我们无法观测到这以外的任何东西,这也就是为什么我们不知道宇宙到底是有限的还是无限的。

而即使它是有限的,它也不可能有边缘,而必须是循环的,就像一个轮回。因为,好吧,宇宙就是一切存在的载体嘛。不然,越过宇宙边缘的事物会发生什么呢?

基于以上事实,我们迫切的想知道宇宙大爆炸的起源于哪里,天文学家们又是在哪片星空中看到宇宙起源的?


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宇宙大爆炸


答案就是,任何地方。

因为,宇宙一直都是它本身,无论从过去还是现在。它没有特定的坐标,因为它的坐标本身是随着爆炸一起膨胀的。

这就是大爆炸不久后的样子。


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早期宇宙


大爆炸发生的 35 万年后,宇宙已经冷却到大约 2500 ℃,而即便这些热量会发出可见光,我们也不能看到它,因为宇宙的膨胀已经将这些电磁辐射拉长了 1000 倍,这也就意味着光子不是以可见光的形式到达,而是微波辐射,这也就是“宇宙微波背景辐射”的由来。


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宇宙微博背景辐射


因此,尽管我们可以看到数十亿光年以外星系所发出的光,我们仍然可以通过“宇宙微波背景辐射”来观测星系诞生之前的样子。而这实际上就是我们观测到的最古老的东西。

令人惊叹的是,图像中那些温度高低不平的地方,正是宇宙形成细丝状结构的原因,这也是恒星诞生,生命存在的必要条件。


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恒星诞生


我们很幸运,因为除了“宇宙微波背景辐射”之外,宇宙中实际上没有任何明亮的微波源,这意味着该视图是大爆炸发生 350000 年后未受污染的宇宙全景图。

那我们还能看到更久远的事物吗?

不,但也不一定

在此之前,原子才刚刚形成,而光还不能穿过基本粒子的“浓汤”

总的来说,宇宙的中心无处不在而又处处存在,就像我说的,宇宙是个很神奇的地方。

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页面更新:2024-02-19

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