宇宙究竟大到什么程度?哈勃的认识就是全部吗?

中国道教和佛教就有一个成语“大千世界”来形容宇宙的大小,这里的世界不是地球,而是整个“世界”,也就是宇宙,比我们这个世界大一千倍则是小千世界,再往上一千倍则是中千世界,中千世界的一千倍就是大千世界!

佛教和道教的宇宙观似乎很生硬,都是千倍大小,但其实这个千倍应该理解成形容词,而不是量词,所以准确的说这个宇宙观非常具有代表性,也就是我们对“世界”的认识实在是太浅薄了!宇宙到底有多大?包括天文学家在内仍然没有一个准确的数字!

从地心说到认识河外星系

古希腊时期人们对于宇宙的理解由托勒密汇总成了地心说,一整套严密的体系与计算逻辑,尽管繁杂但却维系了上七年,也不得不说这个中维护者付出的努力,但错误的体系再怎么装饰它要被捅破窗户纸,这个人就哥白尼,日心说的提出,使得人类认识宇宙的方向迈出了一大步,此后开普勒行星定律的发现,伽利略望远镜的发明,还有牛顿万有引力定律等等,人类准备好了重新认识宇宙的一切工具。

但到二十世纪以前,天文学家知道的也仅仅是银河系内的天体,尽管发现了很多河外星系,但以当时的认知,也是误认为是银河系中的漩涡星云而已,一直到哈勃发现了仙女星系中的造父变星,距离测量后哈勃认为至少达到了100万光年,尽管误差有点大,但可以确认,仙女星系已经是河外星系!

此后测量技术的更新换代,哈勃的宇宙膨胀和距离成正比给了大家一个粗略估计距离的好方法,当然1938年后提出了以Ia型超新星为标准烛光的测量方法后,这个距离更加精准,随着超大口径望远镜的落成,在宇宙尺度的认识上也越来越远!

当然提供了最大助力的是宇宙诞生的大爆炸理论发展,因为它直接将人类认识从星系层面的角度直接跨越到了宇宙的边缘,勒梅特在提出大爆炸理论的雏形后,乔治·伽莫夫和拉尔夫·阿尔菲以及罗伯特·赫尔曼分别推进了原初元素形成和大爆炸余晖的理论,而1965年微波背景辐射的发现则是一个王炸!

因为它直接跨越了星系,跨越了望远镜的极限,直接将人类的触角触碰到了宇宙的边缘,1998年宇宙加速膨胀的发现,2013年欧洲普朗克卫星最新测量的哈勃常数,得以计算出宇宙的年龄大约为137.98±0.37亿年,2015年时这个数据被更新为:137.87±0.02亿年!对应的宇宙大小大约是930亿光年!

2016年2月11日LIGO和VIRGO的团队宣布发现黑洞合并的引力波,其实这个意义非常重大,因为此前的光学望远镜只能看到发出可见光的天体,为了看到更暗弱的天体,不得不加大望远镜口径,但很显然这个制造成本与难度越来越高!后来发展了射电天文,直接看到了大爆炸的余晖,但在余晖的背后连射电望远镜也无能为力,未来则是中微子,它能观测到大爆炸一秒后的宇宙!

现在的引力波理论上可以直接观测到大爆炸发生的一刹那!不过从理论来看,要观测到大爆炸的引力波,那个天线可能是光年级别,现代技术估计难以实现,不过至少有了理论支持,要不然连门道在哪里都不知道!

我们的宇宙有多热闹?

其实哈勃在没事干的时候,拍过“三张”深空照,其实说它三张不合适,因为这是用成大量的长时间曝光的照片处理出来的,目标天区则是在绝大部分望远镜看来空无一物的区域!

第一次拍摄时间:1995年12月18日至28日间,位置:北天区大熊座附近

第二次拍摄时间:1998年9月至10月间,位置:南天区杜鹃座

第三次拍摄时间:2003年9月24日至2004年1月16,位置:北天区天炉座

其中最著名的是最有一次几乎大半年断断续续的拍摄,处理后的照片,天文学家发现即使远达130光年以外,仍然星系密布,而后期加入更大量处理后的HXDF照,则展现了一幅超过133.5亿光年外宇宙的秘密,宇宙是那么大,但它也很热闹,哈勃带给我们的认识是颠覆性的!

当然各位不要急,因为NASA还有一个王炸没出,那就是詹姆斯韦伯望远镜,它使用的镀金膜的可见光低频段和近红外波段,将会发现更暗弱的天体,它能否看到真正的第一个星系,有待未来分晓!

宇宙是封闭有限的还是开放无限的?

上文用了1600多字展现了宇宙到底有多大,但有一个问题是这到底是不是宇宙的全部,这是困扰天文学家的一个问题,这个问题在爱因斯坦的广义相对论推出后就开始了研究,在1936年几位天文学家的研究就总结成了弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规,他们提出了一个宇宙形状的公式,只有一种可能是有限大小的,也就是封闭,而另外两种则是开放的无限大小!

此后一直在就个中的关键参数观测进行验证,前一种有一个著名的观测是测量宇宙的曲率,建立的模型其实很容易理解,即测量三角形的角度,如果大于实际角度,那么宇宙就是一个球体,如果小于那么是个开放的马鞍形宇宙,如果等于那么就是平坦的开放宇宙!

结果是宇宙是平坦的,因为测量的结果无限接近于等于实际角度,或者说可能大到难以想象,460亿光年距离的三角形两边完全不足以描述宇宙的大小,就像我们打算用三角测量法去评估仙女星系的距离,我们将会发现这个周年视差角度是0!

黄圈内可观测宇宙示意图

因此宇宙大小有两种可能,要么是平坦无限大,要么930亿光年的可观测宇宙可能是我们重新认识的新宇宙中一颗尘埃而已!