科学好故事|回望更早的宇宙:宇宙的边缘是什么样子?

科学好故事|回望更早的宇宙:宇宙的边缘是什么样子?
2020年09月04日 09:15 新浪科技

  撰写:Ethan Siegel;Paul Sutter

  来源:Forbes Science;Live Science

  翻译:任天

  尽管天文学家已经对宇宙有了很深入的了解,但仍有许多问题没有得到答案。我们不知道宇宙是否会永远存在;我们也不知道宇宙就范围而言是有限的还是无限的,我们只知道,宇宙的物理尺寸一定大于我们所能观察到的部分;我们更不知道我们所处的宇宙是否包含了所有存在的东西,抑或只是构成多元宇宙的众多宇宙之一。我们同样不知道宇宙的最早期阶段——大爆炸的第一个刹那——发生了什么,我们没有找到必要的证据去得出一个可靠的结论。

在邻近的宇宙,我们看到的恒星和星系与太阳和银河系很像。但当我们看得更远时,会发现宇宙在遥远过去的样子:结构不那么严密、温度更高、更年轻、演化程度更低。在很多方面,我们能看到的宇宙历史是有限的。在邻近的宇宙,我们看到的恒星和星系与太阳和银河系很像。但当我们看得更远时,会发现宇宙在遥远过去的样子:结构不那么严密、温度更高、更年轻、演化程度更低。在很多方面,我们能看到的宇宙历史是有限的。

  但有一件事我们是可以肯定的,那就是宇宙存在着边缘:不是在空间上,而是在时间上。这是因为,大爆炸发生在过去已知的有限时间内,即138亿年前,不确定性范围小于1%,即使在光速这一终极宇宙速度的极限下,我们所能看到的最远距离也是有限的,宇宙存在一个我们能了解其距离的“边缘”,也许我们仍需梳理一遍时间线,看得越远,能看到的时间便越早。

  早期的宇宙

  如果你厌倦了大爆炸理论,想要对宇宙学做出自己的解释,那很好,但你必须弄清楚一些问题,比如宇宙的膨胀,以及宇宙初期图像中的斑点。换句话说,你必须找到比暴胀理论更好的解释。

  这看起来很简单,其实不然。宇宙早期的压强、密度和温度差异已经困扰了许多其他的宇宙理论,包括最流行的火宇宙(ekpyrotic universe)理论。这是一种古老的哲学思想,“ekpyrotic”这个词在希腊语中的意思是“大火”。古希腊斯多葛学派认为宇宙就是一团大火,处在诞生、冷却和再生的永恒循环中。

  在火宇宙模型中,宇宙不断循环,而我们目前正处于“爆炸”阶段,最终会(以某种方式)慢下来,停止,逆转,并压缩回到难以置信的高温和高压状态。然后,宇宙将(以某种方式)反弹回来,并在新的大爆炸阶段重新点燃。

  问题在于,我们很难在火宇宙中复制宇宙早期图像中的斑点和斑块。当我们试图拼凑一些模糊的物理学观点来解释“挤压—反弹—爆炸”的循环时(这里要强调“模糊”,因为已知的物理学还无法理解过程中涉及的一些能量和尺度),所有的东西都过于平坦。没有凸起,没有摆动,也没有斑点,更没有温度、压强和密度的差别。

  这不仅仅意味着这些理论与早期宇宙的观测结果不符,也意味着这些宇宙理论不能解释一个充满星系、恒星甚至人类的宇宙。

  这有点令人失望。

  早期的星系

艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念图。星系让位于外围的大尺度结构,以及大爆炸产生的热而稠密的等离子体。这个“边缘”只是时间上的边缘。艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念图。星系让位于外围的大尺度结构,以及大爆炸产生的热而稠密的等离子体。这个“边缘”只是时间上的边缘。

  今天,我们看到的宇宙是大爆炸发生138亿年后的样子。我们看到的大多数星系聚集在一起,形成星系群(如本星系群)和星系团(如室女座星系团),它们被所谓的“空洞”分隔开来。这些星系群中既有螺旋星系,也有椭圆星系,其中类似银河系的典型星系平均每年可以形成1颗像太阳一样的新恒星。

  此外,宇宙中的常规物质主要由氢和氦组成,但还有大约1%到2%的常规物质由周期表中的重元素组成,使得像地球这样的岩石行星得以形成,并产生复杂的,甚至有机的化学反应。尽管星系之间有很多差别,比如一些星系十分活跃,恒星不断形成;一些星系具有活跃的黑洞,而另一些却几十亿年都没有任何新的恒星形成,不一而足,但通常而言,我们所看到的星系都十分庞大,经过了漫长的演变而聚集在一起。

宇宙大尺度结构的演化,从早期的均匀状态到我们今天所知的聚集成团的宇宙。如果改变现今宇宙所拥有的物质,那么暗物质的种类和数量将会组成一个完全不同的宇宙。请注意这样一个事实:在所有情况下,小规模结构都出现在早期,而大规模结构直到很久以后才出现。宇宙大尺度结构的演化,从早期的均匀状态到我们今天所知的聚集成团的宇宙。如果改变现今宇宙所拥有的物质,那么暗物质的种类和数量将会组成一个完全不同的宇宙。请注意这样一个事实:在所有情况下,小规模结构都出现在早期,而大规模结构直到很久以后才出现。

  然而,如果我们向更远的宇宙望去,也就是回望更早的宇宙,就会看到宇宙是如何成长成现在这样的。在更远的宇宙中,我们会发现星系团的规模稍微小一些,也稍微均匀一些,尤其是在更大的尺度上。我们会看到星系的质量更低,演变特征也更少,螺旋星系更多,椭圆星系更少。平均而言,这些星系中蓝色恒星的比例更大,其过往的恒星形成率也更高。尽管星系之间的空间变小,但早期星系群和星系团的整体质量也变小了。

  在这幅宇宙的图景中,今天的星系是由规模更小、质量更低的星系在宇宙的时间尺度上合并而成的,并逐渐发展成为宇宙中最庞大的结构之一。与如今的星系相比,早期宇宙中星系的特点包括以下几个方面:

  •规模较小;

  •质量较低;

  •聚集得更加紧密;

  •数量更多;

  •呈现蓝色;

  •含有更多气体;

  •恒星形成速率较高;

  •重元素的比例较少。

可以与现在的银河系相媲美的星系有很多,但与现今看到的星系相比,与银河系相似的更年轻的星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。对于第一批星系来说,这种效应非常极端。在我们所能观测到的宇宙中,星系就遵循着这些规则。可以与现在的银河系相媲美的星系有很多,但与现今看到的星系相比,与银河系相似的更年轻的星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。对于第一批星系来说,这种效应非常极端。在我们所能观测到的宇宙中,星系就遵循着这些规则。

  望向更早宇宙

  但是,随着我们看向越来越远的宇宙,走向越来越早的时间,这种逐渐变化的图景就突然开始急速转变。当我们看向目前距离我们约190亿光年的地方时,对应的便是大爆炸仅30亿年之后的宇宙;我们会看到,宇宙的恒星形成速率达到了最大值,大约是今天新恒星形成速率的20到30倍。相当一部分超大质量黑洞这个时候都很活跃,由于周围物质的消耗,它们释放出大量的粒子和辐射。

  在过去的大约110亿年里,宇宙的演化速度一直在减慢。当然,引力继续使宇宙结构坍缩,但暗能量开始与其对抗,并在60亿年前主宰了宇宙的膨胀。新的恒星继续形成,但恒星形成的高峰已经是遥远的过去。超大质量黑洞继续增长,但最“明亮”的时候早已过去。与早期相比,更多的黑洞如今已变得暗淡和不活跃。

费米太空望远镜团队重建了宇宙的恒星形成历史,并与文献中其他替代方法的数据点进行了比较。天文学家通过许多不同的测量方法获得了连贯的结果,而费米望远镜的数据代表了这段历史中迄今为止最准确、最全面的部分。费米太空望远镜团队重建了宇宙的恒星形成历史,并与文献中其他替代方法的数据点进行了比较。天文学家通过许多不同的测量方法获得了连贯的结果,而费米望远镜的数据代表了这段历史中迄今为止最准确、最全面的部分。

  当我们离开地球越来越远,越来越接近由大爆炸开端所定义的“边缘”时,会开始看到更显著的变化。190亿光年的距离对应于宇宙只有30亿岁的时候,是恒星形成的高峰期,此时宇宙中可能有0.3%到0.5%的重元素。

  当我们靠近270亿光年之外的距离时,对应的宇宙年龄只有10亿年。此时的恒星结构要小得多,因为新恒星形成的速率大约只有后来峰值时的四分之一。由重元素组成的常规物质的比例急剧下降:在10亿岁时降至0.1%,在5亿岁左右时降至仅为0.01%。在这样的早期环境中,岩石行星可能无法形成。

  在这个距离上,不仅宇宙微波背景辐射会更强烈——应该是红外波段而不是微波波段——而且宇宙中的每个星系都应该是年轻的,充满了年轻的恒星;椭圆星系在如此早期的宇宙中可能还没有出现。

宇宙历史的示意图,强调了再电离时期。在恒星或星系形成之前,宇宙中充满了遮光的中性原子。虽然大部分宇宙直到5亿5千万年后才重新电离,但少数区域在更早的时间就已大部分重新电离。宇宙历史的示意图,强调了再电离时期。在恒星或星系形成之前,宇宙中充满了遮光的中性原子。虽然大部分宇宙直到5亿5千万年后才重新电离,但少数区域在更早的时间就已大部分重新电离。

  想要看到比这更早期的宇宙,确实突破了人类现有仪器的极限,但是凯克望远镜、斯皮策空间望远镜和哈勃太空望远镜等已经开始将我们带到那里。一旦到达大约290亿光年或更远的距离——对应的宇宙年龄为7亿到8亿年——我们就开始进入宇宙的第一个“边缘”:透明的边缘。

  今天我们理所当然地认为,这个空间对可见光是透明的,但这只是因为其中没有充满阻挡光的物质,比如尘埃或中性气体。但在早期,在足够多的恒星形成之前,宇宙充满了中性气体,而且这些气体未被恒星的紫外线辐射完全电离。结果,我们看到的很多光都被这些中性原子遮蔽了,只有当足够多的恒星形成后,宇宙才会完全电离。

  这就是红外望远镜,比如美国国家航空航天局(NASA)推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜,对于研究早期宇宙至关重要的部分原因。借助这种望远镜,我们就可以看到处于熟悉波长的“边缘”。

随着我们对宇宙的探索越来越深入,我们在太空中看得越来越远,我们所能追溯的时间也越来越早。詹姆斯·韦伯太空望远镜将带领我们直接进入目前的观测设备无法比拟的宇宙深处,揭示哈勃太空望远镜无法看到的超远星光。随着我们对宇宙的探索越来越深入,我们在太空中看得越来越远,我们所能追溯的时间也越来越早。詹姆斯·韦伯太空望远镜将带领我们直接进入目前的观测设备无法比拟的宇宙深处,揭示哈勃太空望远镜无法看到的超远星光。

  在310亿光年的距离,相当于大爆炸后的5.5亿年,我们到达了所谓的再电离边缘:在这里,宇宙的大部分对可见光几乎是透明的。再电离是一个渐进的过程,并不均匀;在很多方面,这就像一堵参差不齐、充满孔洞的墙。一些地方的再电离发生较早,哈勃太空望远镜正是由此发现了迄今为止最遥远的星系——位于320亿光年之外,仅仅在大爆炸之后的4.07亿年。但其他地区仍然部分保持中性,直到近10亿年过去后才完全电离。

  宇宙会坍缩成奇点吗?

  答案如果是肯定的话,宇宙或许会一直处于一个永无止境的大反弹循环中;在这个循环中,所有物质都通过大爆炸,从一个奇点冒出来,接着是大挤压,将所有的物质再次吞没,恢复到宇宙刚诞生时那个无比致密的状态。宇宙不断地重复大爆炸和大挤压的过程。

  然而,这些理论从未在数学上真正解决宇宙是否处于循环的问题。换言之,宇宙也可能只有一个开端和一个结局。不过最近,一组理论物理学家利用所谓的弦理论,试图解决这些早期宇宙的基本谜题。他们的研究结果可能会推动我们从零开始构建宇宙,从而为宇宙重复存在的理论提供支持。

  如果你想建立自己的宇宙理论模型,请自由发挥你的想象力。没有人能阻止你创造自己的宇宙观。但是,如果你想进一步了解宇宙的形成,就必须遵守一定的规则。这意味着,无论你的宇宙模型包含什么,你都必须面对一些冰冷的、难以观察的证据。

  例如,我们知道自己就生活在一个不断膨胀的宇宙中,其中的星系和恒星正以越来越快的速度飞离地球。通过各种先进的技术,科学家们可以计算与我们不同距离的星系移动的速度。我们也已经有了宇宙诞生初期——大爆炸后约38万年时——的图像。现在宇宙的年龄约为138亿年,当时的宇宙还处于“婴儿”时期。

  在这张宇宙诞生初期的图片中,我们看到了一些有趣的模式。图像中微小的斑点和斑块,揭示了在年轻的宇宙中存在着轻微的温度和压力差异。

  我们可以用大爆炸宇宙学,以及所谓的暴胀理论来解释所有这些观测结果。科学家认为,暴胀过程发生在宇宙诞生不到一秒钟的时候。在这一过程中(过程本身只持续了极短时间),宇宙突然间变得非常巨大,并使微小的量子涨落也放大到宇宙尺度。这些量子涨落会逐渐增大,因为密度稍高的斑块引力略强,使其变得更大。随着时间的推移,这些量子涨落变得足够大,以至于在宇宙的幼年图像中以斑点的形式留下了印记(数十亿年后,又出现了恒星和星系之类的东西,但那是另一回事了)。

  S-膜拯救了一切

  在过去几年中,火宇宙理论的支持者试图匹配暴胀理论所解释的观测结果。在最近的一次尝试中,为了克服前述的障碍,使火宇宙理论至少在某种程度上得到尊重,一个研究团队使用的正是S膜(S-brane)。

  你应该听说过弦理论,它是理论物理学的一支,结合了量子力学和广义相对论。在弦理论的宇宙中,每个粒子都是微小的、振动的弦。几年前,理论物理学家们意识到,弦不一定是一维的。他们将多维的弦就称为“膜”(brane)。

大爆炸和宇宙膨胀的图解。对于宇宙的最终结局,弦理论或许能为我们提供线索大爆炸和宇宙膨胀的图解。对于宇宙的最终结局,弦理论或许能为我们提供线索

  至于“S-膜”,弦理论中的大多数膜都可以在时空中自由地漫游,但是假想的S-膜只能在非常特殊的条件下瞬间存在。

  在这个新的火宇宙理论场景中,当宇宙在其最小、最密的状态下,S-膜出现,使一个充满物质和辐射的宇宙再次扩张(一场大爆炸),与此同时,温度和压力发生了微小变化(导致宇宙初期图像中出现众所周知的斑点)。这便是加拿大麦吉尔大学物理学系三位物理学家所提出的新观点。他们的研究结果于7月发表在预印本网站arXiv上,还有待同行评审。

  这个观点正确吗?目前还无法知晓。近年来,弦理论的基础似乎显得十分薄弱,因为在大型强子对撞机上进行的实验中一直未能找到任何关于超对称理论的线索,而超对称理论是弦理论的关键基础。另一方面,S-膜的概念本身在弦理论界还存在争议,因为研究者并不确切地知道膜是否会被允许在一个时刻存在。

  还有一个事实是,正如我们所知,宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀,没有任何迹象表明它在短期内会减速(更别说坍缩了)。要弄清楚有什么因素会导致宇宙膨胀“刹车并掉头”,目前看来还十分棘手。

  尽管如此,火宇宙理论(和其他理论)的观点还是值得探索的,因为宇宙的最初时刻为现代物理学提出了一些最令人困惑和最具挑战性的问题。

  观测极限以外的边缘

  尽管如此,天文学家认为,在我们现有仪器所能观测到的极限之外,肯定还存在着其他恒星和星系。在目前所发现的最遥远的星系中,都可以找到证据,表明前几代恒星曾在其中活跃过,而且它们已经相当明亮和巨大。在目前望远镜所能观测到的极限之外,还可以测量恒星形成的间接标志,包括氢原子本身发出的光。这一过程只发生在恒星形成期间,氢原子发生电离,自由电子与电离的原子核重组,然后释放出光。

图中巨大的“凹陷”是Bowman等(2018)最新研究的直接结果,显示了宇宙在1.8亿年到2.6亿年之间发出的21厘米红移信号。天文学家认为,这与宇宙中第一波恒星和星系的启动相对应。图中巨大的“凹陷”是Bowman等(2018)最新研究的直接结果,显示了宇宙在1.8亿年到2.6亿年之间发出的21厘米红移信号。天文学家认为,这与宇宙中第一波恒星和星系的启动相对应。

  目前,我们只能通过这种早期恒星形成的间接特征,推测年轻的星系早在大爆炸后的1.8至2.6亿年时就已存在。这些原始星系形成了足够多的恒星,使我们能在数据中看到它们存在的最初迹象,对应的距离是340亿到360亿光年之间。尽管目前的望远镜还不能直接观测到这些星系,但许多天文学家认为,詹姆斯·韦伯望远镜将会担此重任。

  当然,仍然可能有光源——以及宇宙中最初的电离区域——可以追溯到更早的时期。如果我们能看到这么远的距离,那么最早的恒星应该在380亿到400亿光年之间,相当于大爆炸后5000万到1亿年的时间。

  在此之前,宇宙完全是黑暗的,充满了中性原子,以及大爆炸的辐射余晖。

早期宇宙的过密区域会随着时间的推移不断增长,但它们的增长受到了限制,一方面是最初过密区域较小,另一方面是仍然存在着高能量辐射,阻止了结构的更快增长。形成第一颗恒星需要几亿到几亿年的时间,但在此之前,物质团块就已经存在了。早期宇宙的过密区域会随着时间的推移不断增长,但它们的增长受到了限制,一方面是最初过密区域较小,另一方面是仍然存在着高能量辐射,阻止了结构的更快增长。形成第一颗恒星需要几亿到几亿年的时间,但在此之前,物质团块就已经存在了。

  再往前追溯,还有一些其他的“边界”值得关注。在440亿光年之外,来自大爆炸的辐射非常炙热,以至于肉眼就能看见;如果那里有一双人类眼睛的话,就能看到辐射开始发出红光,类似于赤热的表面。这对应着大爆炸300万年后的一段时间。

  如果到达454亿光年以外,我们就会来到大爆炸38万年后的一个时间点。此时的温度极高,以至于无法稳定地维持中性原子。这就是大爆炸余辉——宇宙微波背景(cosmic microwave background,简称CMB)——的来源。普朗克卫星拍摄的那张著名的热点(红色)和冷点(蓝色)图片,向我们揭示了这些辐射的来源。

  在那之前,在460亿光年之外,我们进入了一切的最初阶段:大爆炸的超高能量状态。此时诞生了宇宙的第一批原子核、质子和中子,甚至产生了第一批稳定的物质形式。在这一阶段,一切物质只能被描述为宇宙的“原始汤”,即存在的每一个粒子和反粒子都可以由纯能量创造出来。

宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景——并不是均匀的,有着微小的缺陷和几百微开氏度的温度波动。在引力增长之后,这种不均匀在后来起到了重要作用,但重要的是要记住,早期的宇宙,以及今天的大尺度宇宙,只在小于0.01%的水平上是不均匀的。普朗克卫星在探测和测量这些波动方面有着比以往任何时候都要高的精度。宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景——并不是均匀的,有着微小的缺陷和几百微开氏度的温度波动。在引力增长之后,这种不均匀在后来起到了重要作用,但重要的是要记住,早期的宇宙,以及今天的大尺度宇宙,只在小于0.01%的水平上是不均匀的。普朗克卫星在探测和测量这些波动方面有着比以往任何时候都要高的精度。

  然而,在这种高能量的原始汤之外还有什么,仍然是一个谜。尽管许多关于宇宙膨胀的预言都被间接地证实了,但天文学家并没有直接的证据表明在最早期的这些阶段到底发生了什么。对人类而言,宇宙的边缘是独一无二的;我们可以看到138亿年前在各个方向上的宇宙,这种情况取决于观察者的时空位置。

  宇宙具有许多边缘,包括透明的边缘、恒星和星系的边缘、中性原子的边缘,以及大爆炸时形成的宇宙视界的边缘。我们可以用望远镜观察到尽可能远的地方,但总会有一个基本的极限。即使空间本身是无限的,但大爆炸之后的时间并不是无限的。不管未来能看到多远的宇宙,总会有一个我们永远看不到过去的“边缘”。

新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片