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宇宙膨胀大于光速,恒星出发的光,岂不是永远达不到下一恒星?
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发布时间:2016-12-08加入收藏来源:互联网点击:
宇宙膨胀速度大于光速,恒星出发的光,岂不是永远达不到下一恒星?
宇宙膨胀理论,是科学家根据接收到河外星系光线光谱的特征推断出来的。其实在太空望远镜发明之前,人类对宇宙的认知,基本是处于静态宇宙的判断,即虽然也有星体的运行,但是宇宙的总体空间尺度并不会发生实质性变化,认为宇宙空间是无边无际的,星体的运行无非是在这个无限的空间中的内部运动而已。爱因斯坦接过牛顿万有引力的接力棒,对维持宇宙运行规律的引力来源进行了深入阐述,认为质量引发了时空弯曲,所有物体都围绕因质量产生的时空扭曲测地线进行运行,同时为了消除引力对静态宇宙的影响,刻意在广义相对论的引力场方程中加入了宇宙常数这个概念。
然而,哈勃通过长期的天文观测,发现的结果与传统的认知产生了格格不入的现象,那就是河外星系传送到地球的光线,在光谱表达上有向红端移动的趋势,而且距离越远,红移现象越明显。根据光谱的多普勒效应,当观测目标远离观测者时,在观测者看来的光谱中,呈现的是光线频率减小、波长增大,反之则是目标靠近,光线频率变大、波长减小。那么,通过这个原理,哈勃确认了河外星系正在远离地球的结论,而且距离地球越远的星系,其远离速度为越快。
这一现象让爱因斯坦非常震惊,在亲眼目睹了哈勃的观测结果后,不得不推倒了引力场方程中的限制条件,将宇宙常数从中删除,也就是说否定了静态宇宙的观点,说明宇宙是处于不断扩张、有界无边的状态。而根据哈勃的研究,目标星系相对于地球的退行速度,与二者之间的距离成正比,这个比率是个常量,后来的人们将其定义为哈勃常数。在2013年时,欧洲航天局利用普朗克卫星,精确测算出哈勃常数值为67.80±0.77(km/s)/Mpc,这个数值代表的是在距离地球100万秒差距(326万光年)处,星系远离地球的速度平均为每秒68公里左右。
根据哈勃常数,我们可以很轻松算出,在距离地球约144亿光年处,现在目标星系的退行速度将达到光速,自现在起,来源于这个区域以外的光线将无法再到达地球。而考虑到宇宙膨胀的历史,我们可以观测到来自465亿光年处的光线,也就是说在那里的光线,原本可以用144亿年的时间到达,只是由于空间的膨胀,拉大了光线所行经的路程,对应所需的传播时间被放大了。
因此,我们常说的宇宙膨胀速度大于光速,是有先决条件的,那就是以地球为观测中心,在判断距离地球144亿光年以外空间膨胀时所得出的结论。这里有几点需要说明一下,第一是这个宇宙的膨胀过程是空间的膨胀,并不携带任何信息,所以可以超光速。
第二,空间的膨胀速度是以观测点为中心,进行的速度叠加,这个过程可以与吹气球相类比,吹气球时,我们可以近似地把气球上相隔同样距离两点的远离速度确定为一个恒定值,比如相对速度为a,那么以一个点为中心,与它相邻的点远离速度为a,与隔着一个点的第二个点的远离速度为2a,以次类推,隔的点越多,远离中心点的速度就越快。宇宙膨胀也是一样,虽然以地球为中心,我们观测144亿光年外的星系远离速度超越了光速,但是如果在144亿光年处的星体看来,它周围144亿光年以内的星体远离速度并没有那么快,在那个点将重新确定一个可观测宇宙范围。
第三,关于宇宙膨胀的驱动力问题。通过科学家们长期的观测研究,认为宇宙现有组成中,暗能量和暗物质占据了绝大部分的比例,其中暗物质和万有引力推动星系的吸引聚集,暗能量推动星体间发生排斥,在宇宙大爆炸60亿年之后,暗能量逐渐占据了统治地位,推动宇宙加速膨胀。不过这个由暗能量驱动的演化过程,与宇宙尺度和物质分布密度有直接关系,当宇宙尺度在百万秒差距即326万光年以内,以及星际物质分布比较集中的区域,还是以万有引力和暗物质提供的吸引力量为主。
从以上分析我们可以看出,恒星发出的光线能否到达另一颗恒星,与宇宙膨胀速度超过光速没有必然的因果关系,只是其中衍生出来的假设性推论问题。
宇宙膨胀的超光速,并不是每个区域都是这样的膨胀速度,需要以一个观测中心为参照系,然后在144亿光年外的目标,其远离这个观测中心的速度才有可能超光速。因此,如果对于两个现在相距144亿光年或者更远的恒星来说,当然都无法接收到彼此发出的光线。而在此距离以内理论上都是可以的,而且,从一个星系来说,其尺度也就是几十万光年,其中又分布着几百几千亿颗恒星,每颗恒星在这样的尺度下,万有引力还是占据主导地位,宇宙膨胀在星系内部甚至相邻的星系间,都不会产生太大的影响,几乎可以忽略不计。
回答于 2019-09-11 08:43:50
宇宙膨胀大于光速是有约束条件的。
简单说来就是距离每增加326万光年,退行速度增加70公里每小时,当距离增加到160亿光年以上的时候,时空的退行速度超过光速。
也就是说,此时,远在160亿光年之外的一颗恒星现在发出的光永远到不了地球了,注意是现在不是过去,过去的光还是有可能到达地球的,因为在过去那颗恒星距离我们的距离尚不足160亿光年。
回答于 2019-09-11 08:43:50
“宇宙膨胀大于光速,恒星出发的光,岂不是永远达不到下一恒星?”
由哈勃定律可知,只有距离我们足够远的空间,其退行速度才会超过光速,如果小于这个距离,空间内天体发出的光线依然有机会抵达地球。
宇宙膨胀与可观测宇宙
现代科学推测,我们的宇宙诞生于138亿年前的一场大爆炸,由于暗能量的作用,我们的宇宙空间处于急速的膨胀状态,由此造成“镶嵌”在空间内的大范围天体也处于互相退离的状态。利用现代天文探测手段,科学家计算出遥远天体之间的退行速度变化率约为73km/(s·Mpc),也就是目前的哈勃常数,该数值表示当天体的距离与我们的距离每增加三百万光年,其退离我们的速度便增加73公里每秒。
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