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宇宙究竟有多大,宇宙究竟有多大?看完才发现地球竟如此渺小!(科学家是怎么知道的)

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1、宇宙到底有多大?科学家是怎么知道的?

人们仰望星空时,也许会异常平静,这种体验感很清晰(也可能毫无意义)。然而,对于那些有着无限的好奇心的人来说,凝视星空会带来无尽的疑问与谜团。在视界线的另一端会是什么呢?暗物质又是什么,它是做什么的呢?宇宙究竟有多大?

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最后一个问题(至少在这三个问题中)是我们能够回答的,尽管答案并不那么容易理解。,让我们不去涉及太多天体物理相关的话题,尽可能简单地回答这个问题:科学家们怎样知道宇宙有多大?

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简短回答:借助具有不同观测距离的测量工具(三角视差、宇宙标准烛光、超新星亮度、星系红移、宇宙微波背景),可以创造一个宇宙距离阶梯,能够准确测量遥远的星系,以及宇宙的大小。

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太空中的距离是怎样测量的?

在我们了解到宇宙最大距离以十亿光年为单位之前,我们首先要从宇宙距离阶梯的第一级开始。

从近距离开始-我们是可以用高中课堂上学过(且很快忘记)的基本三角函数尝试测量较近的宇宙距离,例如在太阳系内,或者银河系内与我们临近(不超过100光年)的宇宙。基本上只要你在一年中的某一刻测量一颗恒星在天空中一点的位置,然后在六个月后再次测量它的位置,就能够得到附近物体相对于天空中更遥远的恒星的位置。

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假使你知道地球轨道的长度,然后根据这两次测量得出的角度,就有可能计算出实际距离(感谢勾股定理!)。但是,如果一颗恒星离地球越远,它的位移就越小,角度的测量就由易变难,因此就需要用到宇宙距离阶梯的第二级。

宇宙标准烛光----一旦超出了三角视差法的有效测量范围,天文学家们就会使用称作造父变星的恒星来测量,它们很常见且很明亮。这类特殊的恒星于1794年首次为人们发现,它们具有周期脉动的趋势,有规律地越变越亮或者越变越暗。更有意思的是,造父变星的脉动时间越长时,它就越亮;脉动时间越短,它就越暗。

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用视差法(见上文)来测量附近的造父变星,然后比较它们与更遥远的造父变星的脉动周期时间,就可以确定它们的真实亮度,从而计算出它们的距离。造父变星遍布我们的银河系,它们的存在甚至超出银河系外(8000万光年远),称为宇宙标准烛光,能够作为标准的距离标识,形成了宇宙距离阶梯的关键一级。,

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图解:船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一,由哈勃空间望远镜拍摄

超新星亮度----尽管8000万光年好像是一个惊人的距离,但是宇宙是它的1000倍以上,这也意味着宇宙距离阶梯需要运用别的层级。超新星的作用也就在这里显现了,不过主要是特定的双星系统中的超新星。在这些双星系统中,一颗恒星暴死成为了白矮星,而它的伴星存活下来,接着白矮星吸积伴星的物质,不断变大,直到质量超过太阳质量的1.4倍(也就是钱德拉塞卡极限)。

在那时,又会发生一次巨大的爆炸,巨大到在半个可观测宇宙中都能看到,所释放的能量超出整个星系,也就形成了1A型超新星。已知爆炸质量的大小,天文学家们就能够计算出爆炸的绝对亮度,然后计算出遥远星系大概的宇宙距离。

星系红移----在更遥远的距离----数百亿光年外----哈勃常数就起作用了。这是宇宙膨胀的测量单位,以埃德温哈勃命名。接下来的对话可能会有一些混乱。也许很难理解,但是除了宇宙在以不断增长的速度同时向各个方向膨胀外;宇宙中不同物体之间的空间也在膨胀。这种物体间的膨胀(和加速)与暗能量有关,超出了本文的讨论范围,但足以说明,所有物体都在远离其他物体,并且越来越快。

目前的宇宙膨胀速度约为每秒72-74千米每秒,每百万秒差距(326万光年)。因此,你看得越远,星系远离我们的速度也越快。要确定非常遥远的星系的距离,你必须测量星系红移来确定星系远离我们的速度有多快。

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当哈勃通过棱镜观察来自遥远星系的光时,他发现了一种“红移”,偏离了已知的颜色。简要解释一下,看到一个远离你的物体发出的光时,光会显得更红,因为它拉长了电磁频谱。而另一方面,当一个物体的光向你移动时,它会压缩磁场频谱,并产生“蓝移”。对于哈勃观测到的绝大多数星系都有这种红移,这意味着它们正在远离我们。通过在图上绘制不同的红移和已知距离,就有办法以相对较高的精度确定极远星系的距离。

宇宙微波背景----这是最终的测量工具,也可以说是宇宙距离的基准线。宇宙微波背景辐射(CMB)是大爆炸后最早期的残余辐射(最早是一个相对词,大约是大爆炸后40万年)。这种辐射是迄今为止在恒星之间的“空”空间中探测到的最古老和最远的辐射。通过这个基准线可以推断宇宙的年龄约为137亿年。

这也就意味着我们能看到的最远的时间是137亿年,因为光(以光速运动)到达我们需要137亿年。因此,“可观测宇宙”的半径为137亿光年,直径约为275亿光年。

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但是,“已知宇宙”的半径并非137亿光年。再回想一下哈勃常数和它对宇宙膨胀的测量。来自宇宙微波背景辐射的光如今到达我们的眼睛已经走过137亿年了,但同时宇宙也在不断膨胀,把已知宇宙的边缘扩张到更远,虽然严格来说,我们并不能看到那么远。但是通过运用哈勃常数,我们可以计算出现在这些光子的起源,答案是惊人的——460亿光年远!这意味着“已知宇宙”的直径有920亿光年!

显然,计算这么大的距离会使大脑宕机,超出人类的理解范围。幸运的是,有许多天文学家对这类测量方法的精通和宇宙距离阶梯的存在,这样我们能够时刻关注宇宙是如何运动的——以及我们在其中的位置!

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. sciabc

宇宙有多大?-物理学网

斯普林格数据库

宇宙距离阶梯-物理学院

宇宙微波背景-普朗克(卡迪夫大学)

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2、宇宙究竟有多大

目前整个宇宙的大小尚不清楚,并且宇宙本身的空间还在不断膨胀,但人类可测量可观测宇宙的大小,其直径约为930亿光年。

宇宙究竟有多大?

宇宙在物理意义上被定义为所有的空间和时间(统称为时空)及其内涵,包括各种形式的所有能量,比如电磁辐射、普通物质、暗物质、暗能量等,其中普通物质包括行星、卫星、恒星、星系、星系团和星系间物质等。宇宙还包括影响物质和能量的物理定律,如守恒定律、经典力学、相对论等。

大爆炸理论是关于宇宙演化的现代宇宙学描述。根据这一理论的估计,空间和时间在137.99±0.21亿年前的大爆炸后一同出现,随着宇宙膨胀,最初存在的能量和物质变得不那么密集。最初的加速膨胀被称为暴胀时期,之后已知的四个基本力分离。宇宙逐渐冷却并继续膨胀,允许第一个亚原子粒子和简单的原子形成。暗物质逐渐聚集,在引力作用下形成泡沫一样的结构,大尺度纤维状结构和宇宙空洞。巨大的氢氦分子云逐渐被吸引到暗物质最密集的地方,形成了第一批星系、恒星、行星以及所有的一切。空间本身在不断膨胀,因此当前可以看见距离地球465亿光年的天体,因为这些光在138亿年前产生的时候距离地球比当前更近。

虽然整个宇宙的大小尚不清楚,但可以测量可观测宇宙的大小,估计其直径为930亿光年。在各种多重宇宙论中,一个宇宙是一个尺度更大的多重宇宙的组成部分之一,各个宇宙本身都包括其所有的空间和时间及其物质。

随着巡天观测技术水平的逐步提高,人类不断尝试绘制整个宇宙的全貌。2021年1月14日,国家天文台北京-亚利桑那巡天(BASS)团队和暗能量光谱巡天(DESI)团队联合发布最新巨幅二维宇宙地图。

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