这意味着当望远镜捕捉到来自遥远星系的光时,图像并未揭示该星系如今的位置。它展示的是光开始其旅程时该星系的样子。为了估算其当前的距离,天文学家必须使用一个考虑到宇宙随时间推移如何膨胀的宇宙学模型。
目前使用的主流模型被称为LCDM。它包含暗物质(另一期节目)和暗能量(另一期节目)。LCDM的优势和局限性值得单独讨论(另一期节目),但替代模型并不会显著改变此处描述的整体图景。
可观测宇宙的边缘
宇宙大约已有137.7亿年的历史,但我们能观测到的最遥远区域如今距离我们约450亿光年。在它们的光向我们传播的整个过程中,空间一直在膨胀。
这一边界被称为粒子视界、宇宙学视界或共动视界,具体名称取决于你当下的心情或风格偏好。它定义了我们可观测“气泡”的外缘,并标记了我们目前所能看见的最远距离。
乍看之下,这些数字似乎自相矛盾。既然宇宙只有137.7亿岁,可观测宇宙怎么可能延伸至450亿光年?答案在于宇宙的膨胀速度可以超过光速。
为何允许超光速膨胀
这并不违反物理定律。光速限制的是物体在局部区域内穿越空间的速度。观察者绝不会看到附近的火箭飞船以超光速飞过。
宇宙膨胀则不同。遥远星系并不一定是在通常意义上在空间中飞驰。相反,我们与那些星系之间的空间正在膨胀。对于宇宙中大尺度距离增加的快慢,狭义相对论并未施加同样的限制。
天文学家可以通过测量红移来估算一个星系的退行速度。当星系远去时,其光波在电磁波谱中被拉伸至波长更红的一端。埃德温·哈勃利用这一效应发现了宇宙正在膨胀的证据。
在膨胀的宇宙中,距离更远的星系通常退行速度更快,因为它们与我们之间存在更多的空间。空间越多,意味着可膨胀的距离就越大。
星系开始以超光速退行的临界点称为哈勃距离。它位于约137.7亿光年之外。
为何我们仍能看见退行速度更快的星系
我们之所以能观测到哈勃距离之外的星系,是因为今天抵达我们的光是很久以前发出的,当时那些星系距离我们要近得多。我们也可能最终接收到某些位于更远处的星系发出的光,前提是这些光在星系距离较近时便已开始向我们传播。
然而,存在一个终极极限,称为宇宙学事件视界(它与黑洞事件视界略有不同)。它目前位于约170亿光年之外。
任何从该边界之外此时此刻发出的光,无论我们等待多久,都永远无法到达我们这里。空间的膨胀将阻止它跨越不断拉大的距离。
暗能量与正在消失的宇宙
由暗能量驱动的加速膨胀使得这种隔绝变得更加极端。宇宙学事件视界在未来将继续膨胀,但最终将趋近于约600亿光年的最大距离。
即便那时,观察者也无法看见该距离内的所有物体。来自最遥远星系的光将被拉伸至极长的波长,以至于实际上将从视野中消失。
大约1000亿年后,本星系群之外的所有星系都将永远从视野中消失。未来的观察者将生活在一个比我们今天所见显得更小、更空旷的宇宙中。