天体物理学家如何测量宇宙的真实大小？|地球|天体物理学家|宇宙学|星系|红移

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让我们以宇宙大小这个令人震惊的问题为出发点，真诚地认识到人类的思想面临着宇宙浩瀚的奥秘。现代科学并没有关于宇宙极限的明确知识，并且根据物理学领域目前的知识状况，我们很可能永远无法得到完整的答案。

然而，研究给出的估计范围是 28 到 930 亿光年，甚至有建议是无穷大。在本文中，我们将讨论这些估计是如何获得的以及它们代表什么，以及为什么无限宇宙的想法存在争议。

考虑 280 亿光年这个数字——准确地说是 276 亿光年。这个数字只不过是宇宙可观测部分的直径，由我们眼睛能到达的最远物体决定。为什么是这个距离？原因在于光速，真空中的光速为每秒 299,792,458 米，以更传统的单位计算约为每小时 10 亿公里。考虑到宇宙的年龄为138亿年，这是光在整个宇宙历史中可以传播的最大距离——因此，这就是我们的“观测视界”。

在 138 亿年的时间里，太空给我们带来了许多奥秘和发现。其中一个发现是光年的概念，它被定义为光在一年内传播的距离。这个距离大约是9.5万亿公里。使用这个测量方法，我们可以说我们能看到的最远物体距离我们 138 亿光年。

令人惊讶的是，如果我们从地球上环顾四周，我们会发现光线以相同的最大距离从各个方向到达我们，形成了一个直径为 276 亿光年的观察球体，通常简单地四舍五入为 280 亿光年年。

问题来了，如何假设宇宙有更大的尺寸——930亿光年？要回答这个问题，您需要了解宇宙并不是静止不动的：它正在膨胀。当来自最远物体的光传播到我们身上时，它所穿过的空间就增大了。这种膨胀导致后退星系发出的光的波长被拉伸，从而引起所谓的红移，我们可以通过观察和测量这种现象来了解这种膨胀的速度和规模。

所有这些都引出了一个惊人的结论：我们所看到的宇宙只是一个更大、不断演化的宇宙的一小部分，其规模和边界仍然超出了我们目前的理解。

了解宇宙的大小从一个相对简单的概念开始：光从宇宙最深处到达我们所需的时间。从这个时候起，科学家就可以估算到光源的距离。然而，当谈到红移时，我们实际上不仅测量距离，还测量宇宙的时间印记：我们看到的光是物体发射时的光，而不是当前状态的光。因此，我们测量的距离反映的是物体发出光时的过去位置，而不是数十亿年宇宙膨胀后的当前位置。

例如，到遥远星系NGC z13的距离是在考虑红移的情况下确定的，红移是正常值的13.2倍。这意味着从这个星系到达我们的光线需要 134.8 亿年的时间。我们看到这个星系的历史，就像它在宇宙诞生之初一样。在那个历史时刻，NGC z13 距离我们 134.8 亿光年。但考虑到宇宙的膨胀，要了解它现在在哪里，我们必须做出调整。这些计算得出了一个令人惊讶的数字：目前距 NGC z13 的距离为 333 亿光年。

这种距离测量考虑了宇宙的膨胀，被称为同移距离。这与“光传播距离”不同，“光传播距离”是基于光到达我们所需的时间。通过了解这两种不同的测量方法，我们不仅可以更深入地了解宇宙的大小，还可以更深入地了解其动态本质。

在外层空间的研究中，天体物理学家经常依赖红移现象。这种方法使他们能够高度可信地确定到宇宙中最遥远物体的距离。这里的关键指标是红移指数，它是唯一的变量，消除了与遥远天体距离的任何不确定性。然而，重要的是要了解，基于红移的实际距离的计算可能会根据宇宙膨胀率的可接受值而有所不同，因为科学界尚未就红移达成共识。这种膨胀的速度——这一事实成为所谓宇宙学危机的基础。

所以，如果我们以GS z13星系为例，我们可以估计过去可观测宇宙的直径为276亿光年。然而，考虑到空间的不断膨胀，宇宙的直径随之延伸至令人印象深刻的 930 亿光年。

值得注意的是，这些计算仅涉及宇宙的可观测部分，在宇宙存在的 138 亿年中，光有足够的时间到达地球。然而，还有一些超出可观察范围的区域我们一无所知，因为来自那里的光还没有到达我们那里。这些未知的空间可以隐藏与黑洞事件视界一样多的秘密，但由于难以逾越的引力屏障，我们无法从中获取信息。