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人类看不到的宇宙到底有多少?

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发表于 2019-11-4 08:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
人类看不到的宇宙到底有多少?

天文物理
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从物理学的规律开始,是一个充满了特定数量物质和辐射的宇宙。一个热的,密集的,膨胀的,基本一致状态的宇宙等等。138亿年后将是一个看起来像我们自己的宇宙。它充满了恒星、星系、星系团、细丝(宇宙网)和数万亿的岩态行星、液态水和生命的机会。但是,可到达的宇宙究竟要走多远?还有多少奥秘待揭示?

                               
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这个遥远的宇宙,就像在银河系看到的一样,由恒星和星系,以及不透明的气体和尘埃组成。如人类目前所观测到那样,但不管我们怎么看,都没有看到这一切。图片:Two Micron All Sky Survey (2MASS)

哈勃深度场观测到了约在一个方向上有13亿光年,那么我们可以假设在各个方向都能看到13亿吗?深场图显示的是一些畸形的小星系,和第一批恒星的距离很短。大爆炸本身就在后面。这是否意味着整个宇宙的直径大约为26亿光年?怎么估计或知道只看到了宇宙中所有结构的一小部分?

首先来看看人类有史以来最深刻的观点,从那里向更深的地方看。


                               
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哈勃极深场(XDF)的全部UV-Vis-IR复合图,这是有史以来最伟大的影像,在一个只有1 / 32000万的天空区域,发现了5500个可识别的星系。图片:NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

哈勃极深场是一个非常小的一片天空视图,为所有可见天空的1/32万分之一 ,在紫外线,可见光和近红外光谱中连续曝光23天。它共发现了5500个星系,其中一些来自相对较近的星系,另一些则来自宇宙当时年龄的4%。如果要做数学计算,并把这个小地区的5500个星系外推到整个天空,那么在可见的宇宙中将会有大约1800亿个星系。但是这个数字太小了,只占了实际存在的星系的10%左右。


                               
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从现在看来,我们可以看到遥远宇宙的“光束”视图。但由于观察能力有限,大量星系仍未被发现。图片:NASA / STScI / A. Feild

当我们回望遥远的距离,也在回顾过去的时间。来自遥远星系的光线只能以光速行进,而今天的宇宙正好是138亿年。当你看到花了1亿年的光线到达我们的时候,会看到1亿年前的光线。通过其最伟大的观测,哈勃可以看到宇宙年龄低于10亿岁的星系。当看得越来越远时,发现平均来说,星系是:

1、更小
2、质量较低
3、颜色本质上更蓝(由于更年轻的恒星星比例较高)
4、由于内部的星恒星数量较少,本质上发光性较差或较暗淡


                               
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与当今银河系相当的银河系数量众多,但类似银河系的年轻星系本质上比我们今天看到的银河系更小,更蓝,更富含气体。对于第一个星系来说,这是极端的。图片:NASA and ESA

这很有意义:引力需要时间才能把这些小的早期原型星系拉成大规模的银河系大小星系。它需要数十亿年的时间才能形成大的星系团,形成我们所知道的最庞大的椭圆星系。然而,在那些早期,这些“种子”星系一定存在着很多。

如果想知道有多少,就必须结合两个世界的最好的:在所知的所有事物的物理基础上模拟宇宙以及观测宇宙,在那里可以看到我们的仪器和测量的一切。
当将这两者结合在一起时,正如2016年的一项研究所表明的那样:我们知道在完整的,可观测的宇宙中大约有两万亿个星系。

它们应该在各个方向上近似一致,大质量星系在很远的距离处有较多数量的星系,在较近的星系附近有较少数量星系的质量更高。在它们之间会有成群的团簇和细丝(宇宙网),以及它们之间巨大的宇宙空间,但这是由于引力的作用。但平均而言,宇宙各处都是一样的。

那么,为什么当我们看到遥远的宇宙时,我们只能看到大约9%的星系?特别是,为什么我们遗漏了这么多最遥远的星系?


                               
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与中间的星系相比,附近的星系更少,但这是由于星系合并和演化的结合,也无法看到超遥远的超暗星系本身。图片:NASA / ESA

有几个原因在起作用,其中有些是显而易见的,有些则不是。最明显的是这些星系离得更远,这意味着它们很难被看见。一个距离50亿光年的星系只有1 / 4的亮度,在100亿光年,这意味着你需要观察它4倍的时间才能看到它。

第二个明显的原因是,这些星系本质上是比较暗淡的,体积更小,星星也更少。即使考虑到年轻的银河星系拥有更高亮度的比例,一颗拥有1亿颗恒星的星系可能只有像银河这样拥有4千亿颗恒星的星系亮度的0.1%。


                               
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只是因为这个遥远的星系GN-z11位于星系间介质大部分被再电离的区域,哈勃望远镜现在可以向我们揭示它。而未来的詹姆斯·韦伯太空望远镜将观测得更深更精确。图片:NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

但接下来的事情就不那么明显了。在超遥远的宇宙中超过约6的红移,就必须必须开始与中性气体相抗衡,这就阻挡了部分星光。只有在宇宙中只有少量的中性气体在特定的方向上才能看到星系。当这种中性气体存在时,来自超遥远星系的光就会被冲刷掉。

还有宇宙红移的影响。宇宙本身的结构正在膨胀,这是描述宇宙的大爆炸框架最重要的组成部分之一。这导致发射的光随着空间的膨胀而伸展,使得更遥远的星系显得更红。最遥远的星系甚至会有紫外线光从可见光波段移动到远红外线。


                               
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不仅仅是星系正在远离我们而导致的红移,更确切地说我们和星系之间的空间,将光从那个遥远的点转移到我们的眼睛上。当然这是基于一个假设,它的有效性,没有办法测试。如果这是错误的,那么我们可以得出所有结论。图片版权:Larry McNish of RASC Calgary Center

哈勃望远镜深度场具有探测最大波长为1.6微米的能力,能够显示出令人难以置信的遥远星系数量,但即使在原理上,它也会使最遥远的星系无法探测到。这就是为什么詹姆斯·韦伯太空望远镜将如此重要,因为它将能够达到30微米的超长红外线波长:是哈勃敏感的“拉伸因子”的近20倍。

由于中性气体阻挡红外光的能力较差,正如您可以通过观察我们自己的银河系的充气平面所看到的那样,这意味着从2019年开始,科学家们将准备开始观测这些超微弱,超远距离的星系。


                               
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这个四面板视图以四种不同波长的光线显示了银河系的中心区域,其中较长的(亚毫米)波长位于顶部,穿过远近红外线(第二和第三),并以可见光视图结束。尘埃带和前景恒星使中心在可见光下变得模糊。图片:ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser

最后一部分关于空间的延伸,也是观察这些超年轻星系如此困难的最后一部分。如果宇宙不是在扩张,那么一束光线经过100亿年才能到达我们的银河系,将会有100亿光年的距离。但是在一个不断膨胀的宇宙中,由于空间的延伸,今天它更远了。事实上,当我们注意到各种红移,并推测我们将(或不会)找到星系的位置时,可以计算出宇宙在光线到达时有多远和多大。

以下是科学家们的发现:


                               
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即使这样,我们能够探测到的,小而微弱的也是宇宙中最大和最亮的东西。要想回到大爆炸的那一刻,138亿年前,相当于460亿光年的距离。当詹姆斯·韦伯太空望远镜服役时,它应该揭示出我们从未见过的宇宙。


                               
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詹姆斯·韦伯(James Webb)拥有七倍于哈勃望远镜的聚光能力,但能够看到远红外线部分更远的深空,揭示出这些星系的存在甚至比哈勃所能看到的还要早。图片:Credit: NASA / JWST science team

哈勃太空望远镜给我们展示了宇宙的样子。在不到两年的时间里,詹姆斯·韦伯太空望远镜将带领人类走向下一个伟大的飞跃,并告诉我们宇宙是如何成长的。这是一个让人难以置信活着的时刻。对于任何一个好奇宇宙中的第一个星系是什么样子的人,它是如何形成的,宇宙是多么年轻,当第一次出现的时候实际上是多么的遥远,以及这些宇宙蜡烛是多么的明亮和巨大,我们正处于有这些问题的尖头。

对于过去几代人来说,人类根本不知道宇宙中的恒星和星系是从哪里来的。在这10年之际,将会知道这些答案,即使是爱因斯坦也无法想象。



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