宇宙中心在哪里?

宇宙中心在哪里?
2019年09月05日 08:49 环球科学
虽然我们现在还无法观察到461亿光年外的宇宙,但随着时间的推移,宇宙更多的未知将逐一呈现。(图片来源:wikipedia)虽然我们现在还无法观察到461亿光年外的宇宙,但随着时间的推移,宇宙更多的未知将逐一呈现。(图片来源:wikipedia)

  138亿年前,一场大爆炸为宇宙漫长的演化之路拉开了序幕。如今,在回溯这一事件时,不知道读者有没有考虑过这样的问题:我们能找到宇宙大爆炸发生的准确地点吗?或者说,宇宙存在这样一个中心吗?

  我们首先来看生活中普通的爆炸过程。对于一次爆炸,无论起因是什么,它都满足以下几个条件:爆炸发生在特定的位置;最初源自一个很小但有限的体积;爆炸迅速向外部各个方向膨胀。

  当爆炸发生时,外部的一些物体会受到冲击,被巨大的推力以放射状推向远处。而较轻的物质在空间中飞行的距离更远,因此即使能量密度在爆炸的各个方向都下降了,但离爆炸中心越远,密度下降越快。因此,通过测定不同粒子的轨迹,我们能重建爆炸发生的地点。

  但是,上述的爆炸图景,并不符合我们宇宙的情况。距离我们百万光年、甚至几十亿光年的区域,看起来与我们这里没有任何差别。在现有的宇宙空间中,各个区域的密度、能量和星系数量等,几乎是相同的。

  到了更接近宇宙边缘的区域,情况开始出现变化。我们观测到,在数百亿光年外,天体的年龄与我们周围的天体不同。距离越远,天体更加年轻,数量更多但体型较小。尽管我们最远只能观察到300亿光年外的星系,但如果能追踪并重建每个天体的移动轨迹,让它们回到原点,我们将看到最不可思议的结果:宇宙“中心”就在我们身边。

图片来源:NASA / STScI / A。 Felid图片来源:NASA / STScI / A。 Felid

  当然,这样的结果并不能说明什么——毕竟是根据我们的观测范围进行的重建。那么,在宇宙的上万亿个星系中,我们所处的星系在最开始时恰好位于大爆炸中心的概率有多大?

  推测宇宙起点?

  要让我们处在宇宙的中心,最初的爆炸需要满足以下条件:

  不规则、不均一的密度,

  恒星诞生、星系生长的时间不同,

  不同区域的能量存在巨大差异,

  在所有方向上,都具有神秘的2.7K微波背景辐射。

  但即使我们设计了很多解释,依旧无法理解许多观察结果。这种设计出的大爆炸场景不仅不真实,还违反了已知的物理学规律。

  然而,我们的宇宙遵循万有引力定律,而爱因斯坦的广义相对论适用于一个充满物质和能量的宇宙,而不是爆炸时的宇宙。如果宇宙各处的物质处于均衡状态,具有同样的温度和密度,那么宇宙一定要么膨胀,要么在坍缩。由于我们观察到其他天体在后退,宇宙膨胀是唯一合理的解释。

  一直以来,存在一种误解,即根据膨胀的宇宙,我们能推测宇宙最初膨胀的起点。这是不正确的,宇宙能被推回到一个具有明确特征的有限区域,但之后宇宙会根据万有引力定律演化。

  这将导致宇宙各处不可避免地出现相同的特征。这也意味着,任何大小一致的空间区域,其密度、温度以及星系的数量总是一致的。我们还能看到随时间演化的宇宙:离我们越远的地方,反映出的是更古老的宇宙状态,膨胀程度较低、受引力的影响更小,星系的数量也更少。

哈勃望远镜不断拓展了可观测宇宙的范围,并向我们展示了一个星系类型、大小和密度随时间逐渐演变的宇宙。(图片来源:NASA, ESA, and Z。 Levay, F。 Summers)哈勃望远镜不断拓展了可观测宇宙的范围,并向我们展示了一个星系类型、大小和密度随时间逐渐演变的宇宙。(图片来源:NASA, ESA, and Z。 Levay, F。 Summers)

  一些遥远星系持续释放的光穿越膨胀的宇宙到达地球时,才能被我们检测到。这需要长达数十亿甚至百亿年的时间,因此我们看见的是星系数十亿甚至上百亿年前的状态。如果我们将时钟向后拨,回到大爆炸的瞬间,会发现宇宙最初是由辐射主导的,并不存在物质。只有在宇宙膨胀、冷却后,物质才变得重要。

  随着宇宙膨胀和冷却,中性原子最终能稳定形成。曾经主导宇宙的辐射随着宇宙的膨胀,逐渐红移、冷却下来。今天,我们看到的宇宙微波背景辐射就是大爆炸后遗留的辐射,它可以在宇宙的任何地方被观测到。

  宇宙一定存在一个中心吗?不一定,这只是我们的认知偏见。我们知道,大爆炸发生的区域有一个相当于足球大小的下限,但它没有上限,甚至可能是无限的。

  如果宇宙真的有一个中心,它可能在任何地方,并且由于我们观测到的宇宙范围有限,我们有可能无从得知。我们需要看到宇宙的边缘,或者观察到它在宇宙尺度上的各向异性。然而,根据现有的观测,宇宙是均一的。

拉尼亚凯亚超星系团,图中红点为银河系所处的位置。(图片来源:Nature)拉尼亚凯亚超星系团,图中红点为银河系所处的位置。(图片来源:Nature)

  “宇宙到处都在膨胀”

  “宇宙是从哪里开始膨胀的?”这个问题听起来很合理。但一旦你理解了前文的讨论,你就会发现这是个完全错误的问题。“在某一刻,宇宙到处都在膨胀”,可能就是这个问题的答案。很大程度上,“大爆炸”不是指宇宙中的特定区域,而是一个特殊时刻。

  这就是大爆炸的本质:一个曾今在特定时刻发生的事件,不仅影响了整个可观测宇宙的状态,还可能是波及到了比它大得多的区域。这就是为什么,当我们看见某个遥远的天体时,我们看到的其实是它在遥远过去的某个时刻。这就是为什么无论我们看向哪里,宇宙在任意方向上的特征都基本一致。这就是为什么我们可以通过观测天体的演化来追溯宇宙的历史。

  基于现有的理论和观测,仍然存在大量的未知。我们不知道宇宙的实际大小,只能根据可观测宇宙的范围设定一个下限:半径至少是461亿光年。

  我们不知道宇宙的空间结构,是一个正曲率的球体还是负曲率的马鞍,还是完全平坦,形似纸片或圆柱体。我们不知道它是会持续弯曲至首尾相接,还是会永远膨胀下去。我们所知道的一切都是基于所观察到的。目前的观测支持这样的结论:宇宙是无限大的平坦空间。但相反的信息或许就存在于下一组重要的观测数据中,也可能在可观测宇宙的范围之外。重要的是,我们要继续探索。

  我们之所以还不能真正理解宇宙的本质,是因为我们接触到的宇宙空间十分有限。即使我们开发出强大的探测器,能从宇宙中收集的信息也是有限的。或许,我们可能永远都不知道宇宙是否有边界、宇宙的几何形状是什么。

  不管你把宇宙的结构看作一条正在发酵的葡萄干面包,还是一只粘着硬币的膨胀气球,需要记住的是,我们可以观测的宇宙空间很可能只是宇宙很小的部分。我们的观测,还只是为宇宙设置了一个下限。宇宙可能是有限的,也可能是无限的,但可以肯定,宇宙正在膨胀,密度越来越小,更远的物体表现的是宇宙更早以前的形态。

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