宇宙正在膨胀。人们是如何找到它的?
备注 星系 宇宙
作者: 科学大院©
2020-06-08 10:20:21
[ 闻蜂导读 ] 爱因斯坦的广义相对论把引力场和时间空的弯曲几何联系起来,时间空的几何取决于物质的分布。弯曲时,我们可以用什么来描述空的几何? 图1(左)平面上两点之间的距离;(右)球体上两点之间的距离(图像来源:作者绘制) 几何学在英语中最初是指大地测量学 图22从测向天空测量获得的星系分布(http://www.2dfgrs.net/) 在假设了宇宙学原理之后,弗里德曼立即发现可以获得一个非常简单

爱因斯坦的广义相对论把引力场和时间空的弯曲几何联系起来,时间空的几何取决于物质的分布。弯曲时,我们可以用什么来描述空的几何?

图1(左)平面上两点之间的距离;(右)球体上两点之间的距离(图像来源:作者绘制)

几何学在英语中最初是指大地测量学

图22从测向天空测量获得的星系分布(http://www.2dfgrs.net/)

在假设了宇宙学原理之后,弗里德曼立即发现可以获得一个非常简单的时间空几何的度量形式。弗里德曼的度量形式后来由罗伯逊和沃克独立推导出来。因此,这个时间空几何的度量今天也被称为“费里德曼-勒迈特-罗伯逊-沃克度量”。几乎所有的现代宇宙学理论都是基于FLRW度量的,至少在一级近似下是如此。

图3(上图)在宇宙学原理的假设下,不同的物质密度决定了不同的时间空几何学;不同密度参数下宇宙相对维度随时间的动态演化(膨胀或收缩)

图4(左)弗里德曼;(中)爱因斯坦;(右)勒迈特

宇宙膨胀(大爆炸)模型的三个证据

1.哈勃定律:

我们许多人都有过这种经历。当我们在铁路附近玩耍,火车呼啸而来时,我们会发现火车的汽笛比平时更尖锐,当火车离开时,汽笛又变得低沉。这是因为当波源振动并向我们冲来时,与波源不动时相比,我们在一秒钟内接收到的波数增加了。实际效果是波的“频率”更高。当波源消失时,情况正好相反。我们会觉得声音频率变低了。这种效应被称为“多普勒效应”。

由于光源的运动,光也会产生多普勒效应,因为红光的波长比蓝光长,我们称长波端为“红端”,短波端为“蓝端”。当光源向我们移动时,我们看到光的频率变高,波长变短,这叫做“蓝移”。当光源远离我们时,频率变低,波长变长,这叫做“红移”。如果静止光波的波长是λ0,而我们实际接收的光的波长是λ,那么红移可以用一个特定的量z: z=(λ-λ0)/λ0来表示。波源越快靠近或远离观察者,红移和蓝移值就越大。因此,交通警察和天文学家喜欢用多普勒效应来测量速度。

图5多普勒效应图

1928年,爱德温·鲍威尔·哈勃在荷兰遇见了威廉·德·西特。德西特特别关注当时在星系中观察到的大红移。由于这个原因,他自己解决了爱因斯坦方程,建立了一个空的宇宙模型,其中没有物质,只有宇宙常数-德西特宇宙模型。因为物质的密度很小,德西特认为可以忽略不计。宇宙在宇宙常数的驱动下呈指数增长。根据德西特的说法,宇宙就像一个气球,星系似乎粘在气球的表面。如图6所示,随着宇宙空之间网格的扩展,网格点上的星系或人将逐渐远离,它们移动得越快,到达我们时发出的光的红移就越大。我们看到离我们很远的其他星系,不是因为我们在宇宙中有特殊的位置,而是因为每个人都能看到很远的其他星系。

图6(上)德西特认为星系红移是由于宇宙的膨胀,宇宙就像气球表面的一个点。(下)空展开图

德西特希望哈勃能在观察中发现上述效果。如果星系之间的距离更远,红移将会更大,因为后退会更快。这里应该注意区别。这里的星系红移是由星系和地球之间的膨胀引起的,而不是星系本身快速飞离地球。展开在背景空之间,而不是背景上的格点。星系之间的膨胀产生的速度空称为“后退速度”,而星系、小张和小李的相对网格运动产生的速度称为“特殊速度”。退速度和本征速度引起的红移效应本质上是不同的。因为在空之间膨胀引起的红移,我们称之为“宇宙红移”。

后来,哈勃使用威尔逊山的2.5米虎克望远镜观察了24个星系,做出了他一生中最伟大的发现。不出所料,银河系离地球越远,它倒退得越快,这与距离成正比。距离D和倒退速度V之间的关系是V倒退=Hd。这种关系被称为哈勃定律。退化速度除以距离是一个常数,这个常数叫做哈勃常数h,描述宇宙的膨胀速度,是宇宙学中最重要的常数

图7(上)比较不同距离的星系光谱,从顶部到底部的距离增加。可以看出,标记为“KH”的钙谱线越来越向右(红色)移动。(下图)哈勃1929年的星系速度(纵坐标)与距离(横坐标)

这正好是哈勃常数的倒数,这个时间所代表的宇宙时代被称为“哈勃时代”。我们可以计算出星系聚合到1百万分之一的距离需要多长时间。我们用哈勃的初始常数得到:

这个结果比当时测量的地球和恒星的年龄要小得多,这让宇宙学家很头疼。用今天测得的哈勃常数来估算,今天测得的哈勃常数约为70公里-1。我们用19亿年乘以500/70,得到哈勃年龄136亿年,非常接近。

精确的宇宙年龄需要用弗里德曼的宇宙演化模型结合哈勃常数和目前观测到的宇宙密度参数来计算。最新估计的宇宙年龄是13.799±0.021 Gyr

根据目前的观察,宇宙正以加速的速度膨胀。在哈勃距离以外的星系中,我们永远也不会收到它们今天发出的光,但我们仍然可以看到它们过去发出的光。

宇宙学视界(粒子世界,哈勃体积)

宇宙学视界、粒子视界和哈勃体积这三个名词是同一个概念,它定义了过去的事件可以被观察到的距离以及过去和现在有因果关系的区域。具体的定义是:一束光从宇宙诞生的那一刻发出,我们今天刚刚观察到。我们用它作为半径来做一个以观察者为中心的球。球的内部是哈勃体积,球是粒子视界。具体的计算与之前的宇宙时代相同。应该使用弗里德曼模型,然后将现在观察到的哈勃常数和宇宙密度参数结合起来进行计算。根据最近的观察,我们目前的哈勃体积半径约为470亿光年。此外,随着宇宙的膨胀,哈勃体积的范围仍在扩大,越来越多的星系正在进入我们宇宙的可见部分。

图8(上)哈勃体积图(图:安德鲁·科尔文)(下)光在膨胀宇宙中传播的示意图

有人可能会问,“既然宇宙中没有速度能超过光速,宇宙的年龄是138亿年,光最多只能传播138亿光年。为什么是470亿年?”这是因为提问者在静态的宇宙中思考。事实上,宇宙正在膨胀(图8)。当光发射时,星系离我们更近,而138亿年后发射光的星系已经扩展到470亿光年之外。此外,在空之间的膨胀并不违反狭义相对论,在空之间的膨胀可以超过光速。然而,星系和物质相对于网格的内在速度在空之间,受到光速的限制。

2.宇宙的初级核合成

天然化学元素有90多种,其含量在自然界差异很大。各种元素的质量百分比称为元素丰度。在观察了从地球到恒星和星系的化学成分后,人们发现宇宙中不同地方相似天体的化学成分非常相似(表1)。一般来说,宇宙中最丰富的元素是氢,占原子总数的93%,质量的76%。其次是氦,占原子总数的7%,质量的23%。氢和氦单独占原子序数的100%和质量的99%。

图9(左)加莫夫;(右)霍伊尔

霍伊尔不相信大爆炸理论。1949年,英国广播公司邀请伽莫夫和霍伊尔就宇宙的起源进行辩论。霍伊尔在广播中不断抨击伽莫夫的理论。他说“我对大爆炸的想法不满意……”从那以后,宇宙膨胀和演化的理论有了一个新的名字——大爆炸,具有讽刺意味的是,这个名字是由它最大的对手霍伊尔给出的。事实上,尽管霍伊尔解决了核合成的问题,但他预测氦只能在恒星中产生,因此其含量远低于实际观察到的,而且只能在恒星的内核周围找到。如前所述,宇宙中氦的含量非常丰富,接近25%,而且分布均匀。只有伽莫夫的大爆炸理论能正确解释氦的丰度。

今天,我们知道伽莫夫和霍伊尔都是对的。宇宙中物质元素的起源如下:

(1)氦、锂、铍和硼等轻元素只能来自早期宇宙大爆炸的核合成;

(2)铁家族的重元素是由恒星中的核反应产生的;

(3)比铁重的元素主要是在超新星爆发时形成的。

2

图10轻元素丰度和重子密度之间的关系

4]

用宇宙学标准模型计算出来的轻元素丰度,与宇宙中重子密度密切相关。图10中横坐标是重子密度,纵坐标是相应的重子密度下产生的各轻元素丰度,红色竖条区域表示观测到的轻元素丰度允许重子密度变化的范围。宇宙核合成理论和观测结果高度的相符,在天体物理学中是罕见的,有力地证实了大爆炸宇宙模型的正确性。

3. 宇宙微波背景

1948年,伽莫夫和阿尔法(Ralph Alpher)、赫尔曼(Robert Herman)提出了关于宇宙微波背景辐射的假设:宇宙大爆炸早期,温度很高,整个宇宙电离成了一锅等离子汤,只有自由电子和原子核,没有原子。而光线在这锅汤中传播时,没有多远就被散射、吸收或发射,无法传播很远,所以整个宇宙看起来就像一团迷雾一样不透明。这种多次散射产生了“热”的“黑体”光谱。宇宙膨胀到约38万年时,温度降到3000K,这个温度下电子和原子核终于可以形成原子,光线不再被散射或吸收,一瞬间宇宙变得透明了,宇宙产生了第一束光。这个时期发出的光线一直弥漫在宇宙中,随着宇宙膨胀,光线的波长也被拉长,到现在正好在微波波段,表现为空间背景上的各向同性微波辐射,并且这个辐射具有黑体谱。

当时伽莫夫他们计算出宇宙微波背景辐射的温度约为5K,这么低的温度在那个时代没有任何仪器能够测量。在很长的时间里,他们的预言被大家忽略了。一直到将近20年后,1964年,美国的两位工程师彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)测试他们新设计的号角天线,当他们测试来自天空的噪声时,发现有一个3.5k的微波噪声无论如何都不能扣除。在认真检查了天线,并清除了天线上的“白色涂层”(俗称鸟粪)后,噪声仍然存在。这个来历不明的辐射与天线的指向无关,也和地球、太阳运动无关,并具有黑体辐射特征,温度为3.5k。彭齐亚斯和威尔逊不知道,他们偶然发现了1948年伽莫夫预言的微波背景辐射。因为这个发现,他俩获得了1965年的诺贝尔奖。

至此,关于宇宙来自大爆炸还是永恒静态的争论告一段落了,微波背景辐射的发现是至关重要的。霍伊尔1965年在《自然》杂志上正式承认失败,放弃了稳恒态理论,他被微波背景辐射和宇宙中富含氦这两个观测结果击败了。

鉴于微波背景辐射的极端重要性,NASA在1989年发射了COBE卫星对其进行专门研究。1990年美国天文学会的一次会议上,当COBE团队的领导者马瑟(John Mathe)最后一个上场,向人们展示COBE的结果时,会场骚动起来,很快全场集体起立,爆发出了经久不息的掌声。几乎所有人都同意温度为2.735K的微波背景辐射确实存在(此时此刻,远在天堂的弗里德曼大概可以安息了吧)。COBE团队的马瑟和斯穆特(George Smoot)获得了2006年诺贝尔奖,诺贝尔奖评委会的公报说,他们的工作使宇宙学进入了“精确研究”时代。在COBE的基础上,WMAP、PLANK卫星相继升空,对宇宙微波背景辐射进行更精确的测量。微波背景辐射为宇宙大爆炸理论提供了最有力的支持。

-1[

图11 (1)宇宙微波背景探测的历史[4];(COBE卫星的亮度分布谱与2.735千的黑体谱非常一致,图中的正方形为实测数据点,曲线为该温度的理论黑体辐射曲线[8]。

回顾奥尔勃斯悖论

在大爆炸的背景下,我们可以通过回顾奥尔勃斯悖论给出一个合理的答案。为什么夜晚空黑色?

哈勃的体积不是无限的,而是有一个有限的年龄。过去的某个时候发生了一场大爆炸。因此,到达我们的光只能来自最大的地平线,并且流量是有限的。

恒星只在有限的时间内发光,所以来自最远恒星的光通量会减少一倍;

当宇宙的膨胀导致一个大的红移时,所有光的频率都会减弱。

作为大爆炸的遗迹,2.7k宇宙微波背景辐射无论白天还是黑夜都存在。从这个意义上说,奥尔勃斯是对的。

更多关注微信公众号:jiuwenwang

相关文章

  • 刘旷的头像

    刘旷

    购团邦资讯网创始人

  • 冯耀宗的头像

    冯耀宗

    IT评论者、互联网观察员、SEO专家

  • 卢松松的头像

    卢松松

    百强自媒体、IT博客50强、创业者

  • 康斯坦丁的头像

    康斯坦丁

    知名IT评论人,科幻星系创建人,多家知名媒体及企业特邀顾问专家

  • 王雪华的头像

    王雪华

    RUN媒体创始人

  • 月光博客的头像

    月光博客

    知名IT独立博客作者龙威廉


  • 验证码: 看不清?点击更换 看不清? 点击更换
  • 意见反馈
    意见反馈
    返回顶部