人类观测最远宇宙极限多远?光是461亿光年,引力波一眼看穿?

其实讨论这个话题会让大家比较丧气,我们先定个调,根据当前对宇宙的观测表明,对于遥远宇宙的某处以外,我们可能永远都看不到,很多朋友可能会很好奇,我们抬头就能看到无限遥远的星星,还有我们看不到的星星吗?

为什么我们不是瞬间就看到星星?

要解释这个问题其实比较简单,因为肉眼并没有所谓的“眼光”,只是光子通过晶状体汇聚到了视网膜,而在这之前光可能已经花了数亿年甚至数十亿年的时间来到了地球上,只等你回眸的一瞬间,你想想是不是该泪奔?

关于这个瞬间看到星星的问题,天文学家奥伯斯在1823年提出提出过,宇宙是稳态而且是无限的话,应该没有白天与黑夜之分,因为无限的光子到达地球,不应该是白天吗?关于这个问题后来有解释了:

宇宙中的天体不是无限的

宇宙不是稳态合适加速膨胀中

恒星距离地球远近不一,光子到达有时间差

这三条让我们得以了解到,奥伯斯提出的问题中为什么有白天黑夜之分了。

我们能最远能看到那里?

关于“看”这个定义其实是比较尴尬的,因为我们并不是看到,而是光子到达了望远镜的CCD或者肉眼,给我们的错觉就是看到了,但在光子到达前或者还没来得及到达时,我们就看不到!事情就简单了,我们只要找出宇宙最早的光子是什么时候发出的就知道了。

可见光波段我们“看”到了多远的天体?

上图是2016年3月在“北部星系深空巡天调查”中发现的一个高红移星系GN-Z11,这是目前观测到的最古老,最遥远,红移值最高的天体,它的红移值z=11.09,大约位于320亿光年以外。它大约形成于宇宙诞生后4亿年的134亿年前,这也许有些不好理解,但只要各位知道我们现在看到的光是它在134亿年前发出的,而现在它已经跑到了320亿光年以外即可。

可见光波段我们看到的极限距离是多少?

GN-Z11位于134亿光年以外(当时),那么我们能看得更远一点吗?答案是肯定的,但宇宙诞生到恒星诞生有一个时间差,GN-Z11可能是最早的星系了,再往前可能就是宇宙的黑暗时代,那我们啥都看不见了?

其实完全不是,因为大爆炸的辉光仍然存在,从大爆炸理论来看,宇宙在诞生的37.9万年之后光子脱耦才形成了辐射在宇宙中传播,也就是说理论上来看,大爆炸后的余晖我们在理论上是可以看到的,如今观测到的宇宙微波背景辐射就是大爆炸37.9万年时景象(可见光已经被高速膨胀的宇宙直接频移到了微波波段)。

大爆炸37.9万年时,这个余晖才膨胀到了4200万年光年,但到如今它已经在距离我们461亿光年以外,在大爆炸余辉的背后,光子是无法穿透的,简单的说,我们的可见光(电磁波)观测手段到此为止,无能为力了!

还有什么技术能穿透大爆炸的余晖?

答案是肯定的,现代天文除了电磁波这个手段以外,还有中微子,引力波这两个手段,两者在大爆炸时诞生的时间不一样,所以理论上我们观测到的距离也不一样。

中微子脱耦发生在大爆炸发生有1秒

引力在大爆炸后的第一个普朗克时间即诞生

因此假如能观测到大爆炸诞生的原初中微子,那么它们将携带宇宙诞生约1S时的信息,这可以让我们摸到了大爆炸的门口了,但要更进一步,也是不可能了,因为这将和电磁波领域碰到的问题一样。

而引力似乎有两种说法,前者是引力诞生于第一个普朗克时间,后则是引力子在10^-36S时脱耦,如果是引力子的说法,那么我们大概在理论上能观测到大爆炸发生后10^-36S时的状况,此时距离暴胀已经开始(10^-37S起暴胀,在10^-32S时结束。

当然无论是哪种我们都将窥探到大爆炸发生时的场景,各位激动吗?终于有一种手段可以摸到大爆炸正在发生的那一刻了。

引力波天文台?

因此最关键的就是引力波天文台,LIGO和VIRGO探测到了引力波这大家都知道,但这只是黑洞合并的引力波,距离也就1.3亿光年,但距离并不是关键,而是波长,引力波是一种振幅小,频率极低的信号,它的波长长度超过想象,比如:

超新星引力波波长一般为300米

双黑洞引力波波长几百千米到几千千米

大爆炸诞生时的引力波波长可能高达10光年

大家都知道波长越长天线规模越大,而LIGO的天线规模只有4千米,但各位要知道激光束在这4千米范围内往复多次以增加距离来变相达到大规模天线,但这不可能一直以此增加距离,必须要更大规模的天线规格,比如正在建设中天琴空间引力波天文台。

未来的引力波天文台将以环太阳轨道的规模来探知引力波,这是未来的探测手段,在现在看来这是唯一有可能获取到大爆炸信息的探测手段。