因為目前推測宇宙年齡約為138億年,
但可觀測宇宙的半徑卻達到了約465億光年,
這背後有幾個原因:
-
宇宙膨脹:宇宙自從大爆炸以來一直在膨脹。
這意味著距離我們非常遙遠的物體,其實是在膨脹過程
中被拉遠的。
因此,雖然光從這些物體出發到達我們需要138億年的
時間,但這些物體在宇宙膨脹的作用下現在距離我們比
138億光年更遠。
-
相對論效應:根據愛因斯坦的相對論,時空是動態的,且受物質與
能量的影響。
這意味著宇宙的膨脹速度也會影響我們對距離的測量。
-
光的紅移:遠方天體發出的光在經過膨脹的宇宙空間時,其波長會
被拉長,這稱為紅移。
根據紅移程度,我們可以計算出這些天體的實際距離,
這往往比光行經的時間還要遠。
這些因素共同作用,導致可觀測宇宙的範圍遠大於我們根據宇宙年齡所預期的範圍。
這個看似矛盾的現象主要是因為宇宙的持續膨脹:
- 宇宙的年齡確實是138億年,光從宇宙誕生至今行進了138億光年的距離 。
- 但由於宇宙一直在膨脹,最早期發出的光所來自的那些物質,現在
已經移動到距離我們約465億光年的位置 。
- 這個現象可以用「共動距離」(comoving distance)來解釋:
即使光速有限,但宇宙膨脹的效應使得可觀測範圍遠超過138億光年 。
- 換句話說,可觀測宇宙的邊界是由138億年前形成的第一批原子現今所處的位置所定義 。
這個問題是個很好的問題,乍看之下似乎有點矛盾。
宇宙年齡只有138億年,
為何可觀測宇宙的半徑卻能達到465億光年呢?
這其中涉及到宇宙學的一些重要概念。
關鍵在於宇宙的膨脹
- 宇宙不是靜態的:宇宙從大爆炸開始,一直在不斷地膨脹。
這就像一個不斷吹大的氣球,上面的點(星系)
彼此之間的距離會越來越大。
- 光速的限制:雖然光速是宇宙中最快的速度,但宇宙的膨脹速度
卻不受光速限制。
這就像氣球表面的一個點,即使它以最快速度向另
一個點移動,但由於氣球本身在膨脹,兩個點之間
的距離還是會增加。
簡單來說:
- 光錐的概念:從地球向外畫一個光錐,這個光錐代表了我們能觀測
到的最遠距離。
- 宇宙膨脹的影響:由於宇宙膨脹,那些發出光線的星系,在光線到
達地球時,已經遠遠移動到了更遠的地方。
- 計算方式:透過考慮宇宙的膨脹率、哈勃常數等因素,科學家計算
出,我們現在能觀測到的最遠星系,發出的光是在宇宙
年齡大約3億歲時開始的。這些光線經過138億年的漫
長旅程,才到達地球。但是,由於宇宙在不斷膨脹,
這些星系現在已經遠在465億光年之外了。
總結來說:
- 可觀測宇宙的半徑比宇宙年齡更大,是因為宇宙一直在膨脹。
- 光速的限制並不能限制宇宙的膨脹速度。
- 我們觀測到的宇宙,其實是宇宙過去的一個狀態。
類比:
想像你在一個不斷膨脹的氣球表面,你看到的最遠的點,實際上在過去的時候離你更近。
隨著氣球的膨脹,這個點已經遠遠地移開了,但你仍然能看到它過去發出的光。
這是一個非常有趣且深刻的概念,它挑戰了我們對空間和時間的直觀理解。
想了解更多嗎?
- 宇宙微波背景輻射:這是研究宇宙大爆炸和膨脹的重要證據。
- 哈伯常數:這個常數描述了宇宙膨脹的速度。
- 紅移現象:遠處星系的光譜會向紅端偏移,這是宇宙膨脹的直接證據。
為什麼是465億光年?
你可能會直覺地認為,宇宙的範圍就等於宇宙的年齡(約138億年)乘以光速。然而,實際上並非如此。這是因為:
- 宇宙膨脹: 宇宙並不是靜止的,而是在不斷膨脹。這意味著,遙遠的星系正以越來越快的速度遠離我們。
- 光速有限: 即使光的速度很快,但宇宙的尺度實在太大了。我們所能觀測到的宇宙範圍,其實是過去138億年內光所能到達的最遠距離。
計算方法:宇宙距離尺度
天文學家採用了一系列的方法來測量宇宙中天體的距離,這些方法被稱為「宇宙距離尺度」。
- 直接測量: 對於相對較近的天體,天文學家可以利用三角測量等方法直接測量其距離。
- 標準燭光: 對於遙遠的天體,天文學家會尋找一些亮度已知的特殊天體,例如造父變星和Ia型超新星,作為「標準燭光」。通過測量這些天體的亮度,可以推算出它們的距離。
- 紅移: 遙遠星系發出的光會因為宇宙的膨脹而發生紅移。通過測量紅移的程度,可以推算出星系遠離我們的速度,進而估算出它的距離。
465億光年的由來
- 宇宙微波背景輻射: 宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的餘暉。通過對它的精確測量,天文學家可以得到宇宙的年齡、膨脹速率等重要參數。
- 哈勃常數: 哈勃常數描述了宇宙膨脹的速度。通過測量遙遠星系的紅移和距離,可以得到哈勃常數的值。
- 宇宙學模型: 天文學家利用宇宙學模型,結合宇宙微波背景輻射和哈勃常數等數據,對宇宙的演化進行模擬。
綜合上述方法和數據,天文學家最終計算出,我們可觀測宇宙的半徑約為465億光年。
重要提醒:
- 可觀測宇宙: 465億光年指的是我們所能觀測到的宇宙範圍,並不代表宇宙的全部。宇宙可能無限大,也可能存在我們無法觀測到的部分。
- 宇宙仍在膨脹: 宇宙的膨脹速度一直在變化,因此可觀測宇宙的範圍也會隨著時間的推移而不斷擴大。
參考資訊 :
- reddit.com - So how is the observable universe's radius 46.5 billion light
- wikipedia.org - Observable universe
- astronomy.com - How can the visible universe be 46 billion light-years in
- quora.com - If the Big Bang happened 13.8 billion years ago, why is
- consensus.app - How Big Is The Observable Universe
- forbes.com - How Did The Universe Expand To 46 Billion Light-Years In
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