很多人都听说过我们的可观测宇宙有930亿光年大,但它诞生至今却只有138亿年, 你可能会感到困惑,这是怎么一回事呢?不是说光速是恒定的吗?它只有那么快,我们是怎么看得到930亿光年外的宇宙的?
什么是可观测宇宙首先说明一下,930亿光年指的是可观测宇宙的直径,半径是465亿光年。可观测宇宙是指以我们地球为中心,向各个方向所能看到的最远距离,这就是我们的可观测宇宙的半径范围,这个半径大约是465亿光年,超过这个半径以外的宇宙我们是观测不到的。而这个半径在三维空间里就构成了一个以地球为中心的球体,这个球体就是我们的可观测宇宙的全部,它的直径就是930亿光年。
宇宙的距离没那么简单实际上我们的宇宙的直径是肯定不止930亿光年的,自然它的半径也肯定不止465亿光年。但是即使是这465亿光年,也并不是实际观测到的距离值,也就是说,它并不是我们现在能观测到的距离,而是一个理论计算值,而这个理论计算值是根据宇宙的年龄和用于计算宇宙膨胀速率的哈勃常数按照理论模型确定的。
至于这个理论计算值的具体含义我们稍后再说,我们从最简单也是最常见的距离讲起。
最直观的距离单位——光年我们知道,按照现有的物理理论,光速是一个恒定的值,因此它可以用于计算距离,现在我们在计算宇宙天体的距离时常用的单位光年就是指光一年所经过的距离。而按照目前的宇宙大爆炸理论和测量得到的哈勃常数计算,宇宙的年龄约为138.2亿年。也就是目前我们所能接收到的最远的信息,传播到地球的时间也就是138.2亿年,它们经过的距离就是138.2亿光年了。
你会发现这个时候出现了两个观察极限的距离,一个是465亿光年,一个是138.2亿光年。
以光为尺——光行距离138.2亿光年这个距离就是我们第一个要介绍的宇宙学距离——光行距离。光行距离顾名思义就是光行进的距离,由于光速是一个恒定值,因此,光行距离只要以光速乘上一个具体的时间就能得到具体的距离。(比如以光速乘上1年,得到的就是一光年的距离,他大约相当于365.25x24x3600x299792458=9460730472580800m=9460730472580.8km)
因此,也就是说,由于我们宇宙的年龄所限,我们能看到的最远距离就是光行距离138.2亿光年,这就是我们的可观测极限。然而我们所处的宇宙并非是静态的,它从诞生开始就一直在不停地膨胀,因此当我们看到这些光行距离138.2亿年的天体时(假装这个距离上有天体吧,比较好理解),它们早已经不在原来的位置上了,也就是它们现在并不在138.2亿光年处。
膨胀的宇宙在上世纪20年代末,美国天文学家爱德文·哈勃利用对Ia型超新星的光谱分析,发现宇宙中所有方向上的远方星系都在远离我们,而且远离的速度与距离存在比例关系,距离地球越远,远离的速度越快。