我们知道宇宙正在加速膨胀,那么它的膨胀速度比光速还快吗?



一张描述宇宙扩张的图片。图片来源:NASA, Goddard Space Flight Center。


我们的宇宙正在膨胀,可它膨胀的速度有多快呢?万物之间距离几何?我们是如何获悉这些的?

天文学家通常用哈勃参数来刻画宇宙的膨胀速度。埃德温·哈勃在他论证离我们较远的星系比近的星系远离我们更快的时候首次引进了这个参数。哈勃参数的较精确测量值约为68千米每秒每兆秒差距。



ΛCDM模型,加速扩张的宇宙。

让我们来回忆一下刚才提到的那些词:哈勃、宇宙、星系、远离、愈远愈快。然后我说了一些听起来像“叽里呱啦的一些话,然后凯西尔的速度是68千米每秒每兆秒差距”的话。现在解释一下,就是如果有一个星系距我们有一兆秒差距那么远(对于没看过《星球大战》的人来说就是330万光年),它将以68公里每秒的速度远离我们。所以,有一兆秒差距的距离就意味着以68公里每秒的速度在远离。



从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。

这都是因为空间于各处各地都在膨胀着,因此遥远的星系比近处的星系扩张得更快。首先,充盈在我们和遥远星系间的“空间”更多。其次,我们的宇宙没有从前密度那么大了,故而哈勃参数不是一个常值。



在偏振光谱下观测的Ia型超新星爆发的艺术想象图

影响哈勃参数的因素有两个:驱使宇宙向外扩张的暗能量,以及物质,物质被同样黑暗但为我们所熟知的(引力)所结合在一起,让宇宙收缩。专业提示:在这场暗能量与物质战斗中,物质方面正走在失败的路上。



宇宙的历史 - 引力波是假设来自大统一理论,超光速就在大爆炸之后(2014年3月17日。

在宇宙初期之时的哈勃参数较小,此刻由于物质的总体密度较高,它有着更强的影响。现在暗能量占主导地位,因此哈勃参数越来越大,这也就是为何我们说宇宙不仅在膨胀,膨胀的速度还在变快的原因。



用WMAP九年的资料(2012年),以我们的角度看宇宙微波背景辐射在整个宇宙的变化,实际变化会比图中显示得更为平顺。


我们宇宙膨胀的速度大约相当于空间膨胀的速度,天体远离我们的速度取决于它们与我们的距离。如果相距的足够远,天体远离我们的速度就会超过光速。因此,我们怀疑逐渐远离的那些星系会穿过一种宇宙的视界,在那之外一切事物存在的证据,甚至是光,永远都无法到达我们这里,无论是在多久的未来。

那么你怎么看待这件事?在视界之外有没有惊喜等着我们呢?



宇宙的扩张。图片来源:Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli 和 Rocky Kolb。


哈勃的另一张影像,显示婴儿星系形成的附近,这意味着在宇宙学的时间尺度上经常发生。这显示宇宙中新星系的形成仍在发生


这张图示意了宇宙150亿年以来的膨胀速率。曲线的斜率越小,相应的膨胀速率就越大。在大约75亿年前,曲线的形态发生了明显改变,宇宙中的物质开始加速远离彼此。天文学家们的理论认为,膨胀速率的增长应归因于神秘的暗能量,它们能够推动星系互相远离。

宇宙的加速膨胀。向上为时间轴正方向。

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