 | |
| 直徑 | 8.8 × 10 26 m或 880 Ym （28.5 Gpc或 93 Gly）[ 1 ] |
|---|---|
| 圓週 | 2.764 × 10 27 m或 2.764 Rm (89.6 Gpc或 292.2 Gly ) |
| 體積 | 3.566 × 10 80 m 3 [ 2 ] |
| 質量（普通物質） | 1.5 × 10 53 公斤[註1 ] |
| 密度（總能量） | 9.9 × 10 −27 kg/m 3（相當於每立方公尺空間6 個質子） [ 3 ] |
| 年齡 | 13.787 ± 0.20 億年[ 4 ] |
| 平均氣溫 | 2.725 48 ± 0.000 57 K [ 5 ] |
| 內容 | |
可觀測宇宙是宇宙的一個球形區域，由目前可以從地球或其天基望遠鏡和探測探測器觀測到的所有物質組成；自從宇宙膨脹開始以來，這些物體的電磁輻射就有時間到達太陽系和地球。假設宇宙是各向同性的，則到可觀測宇宙邊緣的距離在每個方向上大致相同。也就是說，可觀測的宇宙是以觀測者為中心的球形區域。宇宙中的每個位置都有自己的可觀測宇宙，它可能與以地球為中心的宇宙重疊，也可能不重疊。
在這個意義上， 「可觀察」這個詞並不是指現代技術檢測物體的光或其他資訊的能力，或者是否有任何東西可以被檢測到。它指的是光速本身所產生的物理極限。沒有訊號可以比光傳播得更快，因此存在一個最大距離，稱為粒子視界，超過該距離就無法偵測到任何東西，因為訊號還無法到達我們。有時天文物理學家會區分可觀測宇宙和可見宇宙。前者包括暴漲時期結束以來的信號，而後者僅包括重組以來發出的信號。[註2 ]
根據計算，目前與發射宇宙微波背景輻射（CMBR）的粒子（代表可見宇宙的半徑）的同動距離約為140億秒差距（約457億光年）。到可觀測宇宙邊緣的同動距離約為 143 億秒差距（約 466 億光年），[ 7 ]約大 2%。因此，可觀測宇宙的半徑估計約為 465 億光年。[ 8 ] [ 9 ]利用臨界密度和可觀測宇宙的直徑，可以計算出宇宙中普通物質的總質量約為1.5 × 10 53 公斤。[ 10 ] 2018年11月，天文學家報告河外背景光（EBL）總計4 × 10 84 個光子。[ 11 ] [ 12 ]
隨著宇宙的膨脹加速，所有目前可觀測到的、在本地超星系團之外的天體最終都會出現時間凍結的現象，同時發出逐漸變紅和變弱的光。例如，目前紅移 z為 5 到 10 的天體只能在 4 到 60 億年的年齡內被觀測到。此外，目前位於一定同移距離（目前約 19 吉秒差距（62 Gly））之外的物體發出的光將永遠不會到達地球。[ 13 ]
概述
| 系列的一部分 |
| 物理宇宙學 |
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宇宙的大小是未知的，並且可能是無限的。[ 14 ]宇宙的某些部分距離太遠，自大爆炸以來發出的光沒有足夠的時間到達地球或天基儀器，因此位於可觀測的宇宙之外。未來，來自遙遠星系的光將有更多的時間傳播，因此人們可能會期望更多的區域將變得可觀測到。遠離觀察者（例如我們）的區域正在以超過光速的速度膨脹，其速度由哈伯定律估計。[註3 ]膨脹速度似乎正在加速，有人提出用 暗能量來解釋這一點。
假設暗能量保持恆定（不變的宇宙學常數），從而使宇宙的膨脹速度繼續加速，則存在一個“未來可見度極限”，超過該極限的物體在未來任何時間都永遠不會進入可觀測的宇宙，因為暗能量發出的光超出該限制的物體永遠無法到達地球。請注意，由於哈伯參數隨著時間的推移而減小，因此在某些情況下，星系遠離地球的速度僅比光速稍快，從而發出最終到達地球的信號。[ 9 ] [ 15 ]這個未來的能見度極限是按照190 億秒差距（620 億光年）的同移距離計算的，假設宇宙將永遠繼續膨脹，這意味著理論上可以在宇宙中觀測到的星系數量。 [註4 ]
原則上，未來將會有更多的星系變得可觀測；實際上，越來越多的星系將因持續膨脹而變得極度紅移，以至於它們似乎從視野中消失並變得不可見。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]如果我們能夠接收到某個星系在其歷史上任何年齡發出的信號，例如從該星系發出的信號，則給定同移距離的星係被定義為位於「可觀測宇宙」內大爆炸後僅五億年。由於宇宙的膨脹，可能在某個晚年，在無限未來的任何時刻，從同一個星系發出的信號永遠無法到達地球，因此，例如，我們可能永遠看不到星係是什麼樣子 100 億大爆炸多年後，[ 19 ]儘管它的同移距離仍然小於可觀測宇宙的同移距離。
這可以用來定義一種宇宙事件視界，其與地球的距離隨著時間的推移而改變。例如，目前到這條地平線的距離約為160億光年，這意味著當前發生的事件的訊號如果距離小於160億光年，最終可以到達地球，但該訊號永遠不會到達地球。較遠，則到達地球。[ 9 ]
這個宇宙事件視界之前的空間可以稱為“可到達的宇宙”，即所有星系，比我們今天以光速前往它們所能到達的距離更近；除此之外的所有星係都是遙不可及的。[ 20 ] [ 21 ]簡單的觀察就會發現，未來的能見度極限（620億光年）剛好等於可達到的極限（160億光年）加上目前的能見度極限（460億光年）。[ 22 ] [ 7 ]
“宇宙”與“可觀測宇宙”
宇宙學中的流行和專業研究文章經常使用“宇宙”一詞來表示“可觀測的宇宙”。[需要引用]這是合理的，因為我們永遠無法透過直接觀察宇宙中與地球因果無關的任何部分來了解任何事情，儘管許多可信的理論需要一個比可觀測宇宙大得多的總宇宙。[需要引用]沒有證據表明可觀測宇宙的邊界構成了整個宇宙的邊界，也沒有任何主流宇宙學模型首先提出宇宙有任何物理邊界。然而，一些模型提出它可能是有限但無界的，[註 5 ]就像面積有限但沒有邊緣的球體 2D 表面的高維模擬一樣。
有理由認為，可觀測宇宙中的星系僅代表宇宙中星系的極小一部分。根據Alan Guth和D. Kazanas最初提出的宇宙暴脹理論，[ 23 ]如果假設暴脹在大爆炸後約 10 −37秒開始，並且宇宙暴脹前的大小約等於光速乘以它的年齡，這顯示目前整個宇宙的大小至少是1.5 × 10 34光年－至少3 × 10 23倍可觀測宇宙的半徑。[ 24 ]
如果宇宙是有限但無界的，那麼宇宙也有可能小於可觀測的宇宙。在這種情況下，我們認為非常遙遠的星系實際上可能是附近星系的複製影像，由環繞宇宙的光形成。很難透過實驗來檢驗這個假設，因為星系的不同圖像會顯示其歷史上的不同時代，因此可能看起來相當不同。比勒維奇等人。[ 25 ]聲稱在最後一個散射表面的直徑上建立了27.9吉秒差距（910億光年）的下限。該值基於WMAP 7 年數據的匹配圈分析。這種方法一直存在爭議。[ 26 ]
尺寸
從地球到可觀測宇宙邊緣的同移距離在任何方向上約為 14.26 千兆秒差距（465億 光年或 4.40 × 10 26 m）。因此，可觀測宇宙是一個直徑約 28.5 gigaparsecs [ 27 ]（930 億光年或 8.8 × 10 26 m）的球體。[ 28 ]假設空間大致平坦（在歐幾里德空間的意義上），這個尺寸對應於約1.22 × 10 4 GPC 3(4.22 × 10 5 甘胺酸3或3.57 × 10 80 m 3 )。[ 29 ]
這些是現在的距離（在宇宙學時間中），而不是光發射時的距離。例如，我們現在看到的宇宙微波背景輻射是在光子解耦時發射的，估計發生在大約大爆炸發生38 萬年後， [ 30 ] [ 31 ]發生在約 138 億年前。這種輻射是由物質發出的，在這段時間裡，這些物質大部分凝聚成星系，而這些星系現在據計算距離地球約 460 億光年。[ 7 ] [ 9 ]為了估計光發射時到該物質的距離，我們可以首先註意到，根據用於模擬膨脹宇宙的Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker 度量，如果我們接收的z紅移，則最初發射光時的比例因子由[ 32 ] [ 33 ]給出
WMAP 九年結果與其他測量結合，得出光子解耦的紅移為z = 1 091 .64 ± 0.47，[ 34 ]這表示光子去耦時的比例因子將為1 ⁄ 1092.64。因此，如果最初發射最古老的 CMBR光子的物質目前的距離為 460 億光年，那麼在解耦時距離僅為約 4,200 萬光年。
到可觀測宇宙邊緣的光行距離是宇宙年齡乘以光速，即138億光年。這是大爆炸後不久發射的光子（例如來自宇宙微波背景的光子）到達地球上觀察者的距離。由於時空是彎曲的，對應於空間的膨脹，這個距離並不對應於任何時刻的真實距離。[ 35 ]
物質與質量
星系和恆星的數量
可觀測的宇宙包含估計多達 2 兆個星系[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]，總體而言，估計多達 10 24 顆恆星[ 39 ] [ 40 ] – 更多的恆星（並且可能是類地恆星）行星）比地球上所有的沙灘沙粒還要多。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]其他估計是數千億而不是數萬億。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]暴脹宇宙中（觀測到和未觀測到的）恆星總數估計為 10 100顆。[ 47 ]
物質含量－原子數
假設普通物質的質量約為1.45 × 10 53 kg如上所述，假設所有原子都是氫原子（以質量計算，氫原子約佔銀河系中所有原子的 74%），可觀測宇宙中估計的原子總數是透過除以普通物質的質量相當於一個氫原子的質量。結果約為 10 80 個氫原子，也稱為愛丁頓數。
普通物質的質量
可觀測宇宙的質量通常被引用為 10 53 公斤。[ 48 ]在本文中，質量是指普通（重子）物質，包括星際介質（ISM）和星系際介質（IGM）。但是，它排除了暗物質和暗能量。宇宙中普通物質質量的引用值可以根據臨界密度來估計。這些計算僅適用於可觀測的宇宙，因為整體的體積未知且可能是無限的。
基於臨界密度的估計
臨界密度是宇宙平坦時的能量密度。[ 49 ]如果沒有暗能量，它也是宇宙膨脹在持續膨脹和崩潰之間保持平衡的密度。 [ 50 ]根據弗里德曼方程，值臨界密度為：[ 51 ]
其中G是引力常數，H = H 0是哈伯常數的當前值。歐洲太空總署普朗克望遠鏡給出的H 0值為H 0 = 67.15 公里每秒每兆秒差距。這給了臨界密度0.85 × 10 -26 kg/m 3，或每立方公尺約5個氫原子。此密度包括四種重要的能量/質量類型：普通物質（4.8%）、中微子（0.1%）、冷暗物質（26.8%）和暗能量（68.3%）。[ 52 ]
儘管中微子是標準模型粒子，但它們被單獨列出，因為它們具有超相對論性，因此表現得像輻射而不是物質。普朗克測量的普通物質的密度是總臨界密度的 4.8% 或4.08 × 10 -28 公斤/公尺3。要將密度轉換為質量，我們必須乘以體積，該值基於「可觀測宇宙」的半徑。由於宇宙已經膨脹了138億年，同動距離（半徑）現在約為466億光年。因此，體積 ( 43 πr 3 ) 等於3.58 × 10 80 m 3普通物質的質量等於密度（4.08 × 10 −28 kg/m 3 ) 乘體積 (3.58 × 10 80 m 3 ) 或1.46 × 10 53 公斤。
大型結構
天空勘測和電磁輻射各個波長帶（特別是21 公分發射）的測繪已經獲得了大量有關宇宙結構的內容和特徵的資訊。結構的組織似乎遵循分層模型，其組織達到超團簇和細絲的規模。比這個更大（尺度在 30 到 200 兆秒差距之間），[ 55 ]似乎沒有連續的結構，這種現像被稱為偉大的終結。[ 56 ]
壁、細絲、節點和空隙
結構的組織可以說是從恆星層面開始的，儘管大多數宇宙學家很少在這種規模上討論天文物理學。恆星被組織成星系，星系又形成星系團、星系團、超星系團、星系片、星系壁和細絲，它們被巨大的空隙分開，形成巨大的泡沫狀結構[ 58 ]，有時被稱為“宇宙網」。 1989 年之前，人們普遍認為維裡化星系團是現存最大的結構，並且它們或多或少均勻地分佈在整個宇宙的各個方向。然而，自 20 世紀 80 年代初以來，越來越多的結構被發現。 1983年，阿德里安·韋伯斯特（Adrian Webster）發現了韋伯斯特LQG，這是一個由5個類星體組成的大型類星體群。這項發現是對大規模結構的首次識別，並擴展了有關宇宙中已知物質分組的資訊。
1987 年，羅伯特·布倫特·塔利 (Robert Brent Tully)發現了雙魚座-鯨魚座超星系團複合體，即銀河系所在的星系絲。它的直徑約為10億光年。同年，人們發現了一個異常大的區域，其星系分佈遠低於平均水平，即巨型空洞，其直徑達 13 億光年。根據紅移巡天數據，1989年瑪格麗特·蓋勒和約翰·胡奇拉發現了“長城”，[ 59 ]一片長超過5億光年、寬超過2億光年但只有1500萬光年的星系厚的。這種結構的存在長期以來一直沒有引起人們的注意，因為它需要在三個維度上定位星系的位置，這涉及到將星系的位置資訊與紅移的距離資訊結合。
兩年後，天文學家 Roger G. Clowes 和 Luis E. Campusano 發現了Clowes-Campusano LQG，這是一個大型類星體群，其最寬處長達20 億光年，是當時宇宙中已知的最大結構。 2003年4月，又發現了一座大型建築物－斯隆長城。 2007年8月，在波江座發現了一個可能的超級空洞。[ 60 ]它與「 CMB冷點」重合，這是微波天空中的一個寒冷區域，在目前流行的宇宙學模型下這是極不可能的。這個超級空洞可能會導致冷點，但要做到這一點，它必須大得不可思議，可能有十億光年寬，幾乎和上面提到的巨型空洞一樣大。
另一個大型結構是SSA22 原星系團，它是星系和巨大氣泡的集合，直徑約 2 億光年。
2011年，發現了一個大型類星體群U1.11，直徑約25億光年。 2013年1月11日，另一個大型類星體群Huge-LQG被發現，經測量直徑達40億光年，是當時宇宙中已知最大的結構。[ 61 ] 2013 年 11 月，天文學家發現了大力士-北冕座長城，[ 62 ] [ 63 ]一個更大的結構，是前者的兩倍。它是透過伽馬射線暴的映射來定義的。[ 62 ] [ 64 ]
2021年，美國天文學會宣布發現巨弧；根據斯隆數位巡天觀測數據，新月形的星系串長度跨度為 33 億光年，位於距離地球 92 億光年的牧夫座。[ 65 ]
偉大的終結
「偉大的終結」是在大約 100 Mpc（大約 3 億光年）處發現的觀測尺度 ，其中在宇宙大尺度結構中看到的塊度根據宇宙學原理是均質化和各向同性的。[ 56 ]在這個尺度上，沒有明顯的偽隨機分形。 [ 66 ]
在較小的調查中看到的超星團和細絲是隨機的，以至於宇宙的平滑分佈在視覺上是顯而易見的。直到1990年代紅移巡天完成後，這個尺度才得以準確觀測。[ 56 ]
觀察結果
大規模結構的另一個指標是「萊曼阿爾法森林」。這是類星光譜中出現的吸收線的集合，這些吸收線被解釋為表明存在巨大的星系際氣體（主要是氫）薄片。這些薄片似乎塌陷成細絲，當星系在細絲交叉或密集的地方生長時，它們可以為星系提供食物。這種宇宙氣體網的早期直接證據是 2019 年，來自日本理化學研究所先驅研究集群和英國杜倫大學的天文學家檢測到，來自該網最亮部分的光，被一群氣體包圍並照亮。星系，透過萊曼α發射充當星系團間介質氫螢光的宇宙手電筒。[ 68 ] [ 69 ]
2021 年，由法國里昂天文物理學中心的羅蘭·培根(Roland Bacon) 領導的國際團隊報告了首次觀測到紅移3.1 至4.5 範圍內的擴散擴展萊曼-α 發射，追踪了2.5− 尺度上的幾條宇宙網 細絲。[ 70 ]
在描述宇宙尺度的結構時需要謹慎，因為它們通常與它們看起來的樣子不同。當前景物體彎曲周圍時空（如廣義相對論所預測）並偏轉經過的光線時，重力透鏡可以使影像看起來與真實來源不同。相當有用的是，強重力透鏡有時可以放大遙遠的星系，使它們更容易被發現。一般來說，介入宇宙的 弱透鏡效應也會微妙地改變觀測到的大尺度結構。
如果只使用紅移來測量到星系的距離，宇宙的大尺度結構看起來也會有所不同。例如，星系團後面的星系會被它吸引並落向它，因此會發生藍移（與沒有星系團的情況相比）。在近側，物體會發生紅移。因此，如果使用紅移來測量距離，星團的環境看起來有些擠壓。在星團內已有的星系上觀察到相反的效果：星系圍繞星團中心有一些隨機運動，當這些隨機運動轉換為紅移時，星團看起來被拉長。這就創造了一個「上帝的手指」──一長串星係指向地球的幻覺。
地球宇宙鄰域的宇宙學
在長蛇座-半人馬座超星系團的中心，一種稱為「大吸引子」的引力異常影響著數億光年範圍內的星系運動。根據哈伯定律，這些星係都發生了紅移。這表明它們正在遠離我們以及彼此，但它們紅移的變化足以揭示相當於數萬個星系的質量集中的存在。
1986年發現的大吸引子位於長蛇座和半 人馬座方向1.5億至2.5億光年之間。在它的附近有大量的大型古老星系，其中許多正在與鄰居碰撞，或輻射大量無線電波。
1987 年，夏威夷大學天文學研究所的天文學家 R. Brent Tully發現了他所謂的雙魚座-鯨魚座超星系團複合體，這是一個長 10 億光年、寬 1.5 億光年的結構，他聲稱，本地超星團是嵌入的。[ 71 ]
最遠的物體
已識別的最遙遠的天體（截至 2024 年 8 月）是一個分類為JADES-GS-z14-0的星系。[ 72 ] 2009年，一次伽馬射線暴GRB 090423被發現紅移為8.2，這顯示導致它的塌縮恆星在宇宙年齡只有6.3億年時就發生了爆炸。[ 73 ]這次爆發發生在大約130億年前，[ 74 ]因此媒體廣泛引用了大約130億光年的距離，或者有時更精確的數字為130.35億光年。[ 73 ]
這將是「光行距離」（參見距離測量（宇宙學）），而不是哈伯定律和定義可觀測宇宙大小中使用的「適當距離」。宇宙學家內德·賴特反對使用這種措施。[ 75 ] 8.2 紅移的正確距離約為 9.2 Gpc，[ 76 ]或約 300 億光年。
地平線
宇宙可觀測性的極限是由宇宙視界設定的，宇宙視界基於各種物理約束限制了可以獲得有關宇宙中各種事件的資訊的程度。最著名的視界是粒子視界，由於宇宙的有限年齡，它對可見的精確距離設定了限制。額外的視界與未來可能的觀測範圍相關，由於空間的膨脹，比粒子視界更大，最後散射表面的“光學視界” ，以及與中微子和引力波的最後散射表面相關的視界。
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畫廊
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參見
- 莫斯科大劇院宇宙學模擬 – 宇宙的電腦模擬
- 因果關係（物理學） ——因果關係的物理學
- 宇宙年表 —宇宙的歷史與未來
- 暗流 －星系團特有速度的可能非隨機成分
- 哈伯體積 －可觀測宇宙的區域
- Illustris 專案 – 電腦模擬宇宙
- 多重宇宙 －假設的多個宇宙群
- 數量級（長度） ——各種長度的比較
- UniverseMachine – 電腦模擬宇宙
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