宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它原本有多大?

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资讯发布 发表于 2020-5-5 04:26:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

你可能会认为宇宙是无穷的,诚实说,它可能真的是无穷的,但我们并不能确定。多亏了大爆炸——宇宙有生日的毕竟,或者我们只能回溯有限的时间——另有光速是有限的毕竟,使我们只能看到有限的宇宙。到本日,可观测的宇宙已经有138亿岁了,它向四周八方延伸了461亿光年。那么在138亿年前,它到底有多大呢?乔·密斯卡岱想了解这些问题:

关于宇宙膨胀结束后宇宙的大小,我读过非常不同的表明。一种说法是它约莫是0.77厘米,另一种说法是它约莫是足球大小,而另有一种说法是它比可观测宇宙还要大。那么到底是哪一个,照旧介于它们之间呢?

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:美国宇航局(NASA),欧洲空间局(ESA),R·温德霍斯特,S·科恩,M·梅切利(亚利桑那州立大学),R·奥康内尔(弗吉尼亚大学),P·麦卡锡(卡内基天文台),N·阿蒂(加州大学河滨分校),R·赖安(加利福尼亚大学戴维斯分校)以及H·扬(俄亥俄州立大学)

今年对于爱因斯坦以及空间与时间性质的问题来说是非常好的一年,由于今年是广义相对论诞生100周年纪念,这是非常适时宜的。我们先来谈谈能看到的宇宙吧。

当我们在望远镜所能看到的范围内看向迢遥的星系时,有一些东西是很容易测量的,这此中包罗它的红移是多少,或者说它的光在静止惯性参考系中偏移了多少;它看起来有多亮,或者说我们可以从远处的物体上测量出目视星等是多少;它看起来有多大,或者它在天空中的目视角直径有多大。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:欧洲南边天文台/意国家天体物理研究所-VST望远镜/OmegaCAM相机

致谢:OmegaCEN研究中心/Astro-WISE构造/Kapteyn天文协会

这些是非常重要的,由于如果我们知道光速是多少(这是我们确切知道的为数不多的事变之一),以及我们所看到的物体实质上有多亮或多大(我们认为本身知道的;更多的是在一秒钟内),然后我们可以利用这些信息来知道任何物体的现实隔断。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:美国宇航局(NASA)/加州理工学院喷气推进实行室

现实上,我们只能估计一个物体到底有多亮或多大,由于这内里有一些假设的存在。如果你看到一颗超新星在一个迢遥的星系中爆炸,你会假设你知道超新星的本征亮度是如何建立在你所看到的附近的超新星的基础上,但是你也假设超新星爆炸的环境是相似的,超新星本身也是相似的,你和超新星之间没有任何东西能改变你接收到的信号。天文学家将这三类效应称为演化(如果较老/较远的天体本质上不同)、环境(如果这些天体的位置与我们认为的相差很大)和消光(如果尘埃之类的东西挡住了光线)效应,此外,可能有我们不知道的效应在起作用。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:斯隆数字巡天(SDSS),包罗当前观察的深度。

但是,如果我们对我们看到的物体的固有亮度(或大小)的判断是正确的,那么基于简单的亮度/隔断关系,我们就可以确定这些物体离我们有多远。此外,通过测量它们的红移,我们可以知道宇宙在光流传到我们的时间里膨胀了多少。由于在物质和能量与空间和时间之间有一个非常明白的关系——正如爱因斯坦广义相对论告诉我们的一样平常——我们可以利用这些信息来盘算出当今宇宙中全部不同形式的物质和能量的全部不同组合。

但还不止这些!

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:欧洲宇航局

如果你知道宇宙是由什么构成的,那就是:

0.01% -辐射(光子)

0.1% -中微子(质量大,但比电子轻100万倍)

4.9%——正常物质,包罗行星、恒星、星系、气体、尘埃、等离子体和黑洞

27%—暗物质,一种通过引力相互作用但与标准模型中的全部粒子不同的物质

68%——暗能量,导致宇宙加速膨胀,

我们可以利用这些信息来推断过去宇宙中任何一点的时间,并找出当时不同的能量密度组合,以及在这一过程中任何一点的能量密度有多大。

所以为了你,乔,我做了这些事。(并用对数刻度来表示,如许信息更丰富。)

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图像来源:E·西格尔 在不同的时间里宇宙中不同的能量构成。

正如你所看到的,最新的希望是暗能量在当今世界可能很重要。在宇宙历史的前90亿年的大部分时间里,物质——以正常物质和暗物质的组合形式——是宇宙的重要构成部分。但在最初的几千年里,辐射(以光子和中微子的形式)乃至比物质更重要!

我提到这些是由于这些不同的成分:辐射,物质和暗能量,它们都以不同的方式影响着宇宙的膨胀。尽管我们知道本日的宇宙在任何方向上都有461亿光年,但我们需要知道过去每个时代的确切构成,才能盘算出在某个给定时间上它有多大。这就是它的样子。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:E·西格尔,宇宙的大小(以光年为单位)与宇宙的年事(以年为单位)之比。

追溯到过去,可能你会欣赏这里一些有趣的里程碑:

可观测宇宙的半径大概是3岁的时间,银河系的直径是10万光年;

当宇宙形成一年时,它比如今要热得多,密度也大得多。它的平均温度凌驾200万开尔文。

当宇宙诞生一秒钟时,它热的以至于无法形成稳定的原子核;质子和中子处于热等离子体的海洋中。而且,如果我们本日把它画成围绕太阳的样子,整个可观测宇宙的半径就会包罗离我们近来的7个星系,最远的是罗斯154。

宇宙曾经只是地球到太阳的半径,这发生在宇宙约莫是1万亿分之一(负的10到负12次方)秒的时间。当时宇宙的膨胀率是如今的1029倍。

如果我们乐意的话,我们当然可以更进一步追溯到暴胀刚结束的时间,也就是导致大爆炸的时间。我们喜欢把我们的宇宙推回一个奇点,但是暴胀消除了这个需要。相反,它以一段指数膨胀的时期取代了过去的不确定长度,它通过产生一个我们认为是我们所知宇宙开始的炽热、稠密、膨胀状态而结束。我们与暴胀的最后一小部分有关,约莫在10-30秒到10-35秒之间。无论是当暴胀结束,照旧大爆炸开始的时间,我们都需要知道宇宙的大小。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:美国宇航局(NASA)/威尔金森微波各向异性探测器科学团队

同样,这是可观测的宇宙;真正的“宇宙大小”肯定比我们能看到的要大得多,但我们不知道有多大。斯隆数字巡天和普朗克卫星的最佳极限告诉我们,如果宇宙真的弯曲回到或者接近原来的样子,我们能看到的部分与“未弯曲”的样子是云云难以区分,以至于它至少是可观察部分半径的250倍。

毕竟上,它的范围乃至可能是无穷的,由于宇宙在暴胀初期所做的一切对我们来说都是不可知的,除了暴胀历史上最后一秒的微小部分之外,全部的东西都被从我们可以观察到的暴胀本身中抹去了。但如果我们批评的是可观测的宇宙,我们知道我们只能在大爆炸发生前的最后10-30秒到10-35秒之间到达某个地方。在称之为大爆炸的炽热稠密状态开始时,可观测宇宙的大小介于17厘米(对于10-35秒版本)和168米(对于10-30秒版本)之间。

宇宙终极谜题之一:发生大爆炸前,它本来有多大?

图像来源:美国海军陆战队军士查戈·萨帕塔

顺便说一句,17厘米的答案大概有足球那么大!所以如果你只想知道哪一个估计是最接近正确的,根据我们所知道的,就用那个。而不到一厘米的估计值太小了;我们受到宇宙微波背景的限定,膨胀不可能以那么高的能量结束,也就是说,排除了宇宙在“爆炸”开始时的尺寸。本日的“比宇宙更大”版本一定是在批评不可观测的宇宙,这也许是对的,但它并没有提供任何被以可预见的方式测量的希望。


那么宇宙最初诞生时有多大?如果最好的暴胀模型是正确的,那么它介于人头大小和摩天大楼添补的都会街区之间。只要给它一点时间——在我们的例子中是138亿年——你就可以得到整个宇宙。

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

FY: 秦正冰

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