【分享】宇宙中最遥远的星系有多远?

admin   ·   发表于 2020-1-26   ·   优秀文章
宇宙是一个非常大的地方。当我们眺望夜空时,几乎所有肉眼可见的东西都是我们星系的一部分,比如恒星、星团、星云等。但也存在一些例外的情况,如上图的三角星系,我们可以通过银河系恒星看到它闪烁的光。这些“宇宙岛屿”在我们的宇宙中随处可见,即使是在最黑暗、最空虚的空间中,只要我们愿意去找,就可以找到。这些星系中的大部分都非常遥远,即使以光速计算,单个光子也需要数百万甚至数十亿年才能穿越星系空间,最终到达我们的眼睛。虽然186282英里/秒(或299792458米/秒)可能看起来是一个非常快的速度,但事实是,我们距离大爆炸只有138亿年,这意味着光能到达并返回的距离是有限的。你也可以认为最遥远的星系必须离我们不超过138亿光年,但这是个错误的相反。除了以有限的速度在宇宙中旅行外,光还受制于一个不太直观的科学事实:宇宙本身的结构随着时间的推移而扩展。

这一事实是20世纪20年代广义相对论提出的,但后来的观测结果表明,随着星系距离的增加,宇宙红移也会增加。我们不仅能够证实宇宙正在膨胀,而且可以测量膨胀率以及宇宙随时间的变化。这意味着我们看到的星系实际上比发射光并到达地球得出的距离更远。这类似于你在机场移动人行道的边缘,人行道上的其他人逐渐远离你。如果他们以每小时9英里(4米/秒)的速度向你滚动一个球,如果一开始你们的距离是8米,需要两秒才能到你手中。但是,如果人行道以每小时4.5英里(2米/秒)的速度移动,则需要四秒才能到你手中。

更需要注意的是,在不断膨胀的宇宙中这个时间会更长。并不是因为球(在宇宙情况下是光)移动变慢,球仍以4米/秒的速度滚动,光线仍以光速传播。但是球(或光)需要穿过更多的星体,所以球有更大的滚动距离,而光有更大的旅行距离。此外,当球/光最终到达时,回避最初发射光时两星体之间的距离更远。EGS8p7星系是目前已知最遥远的星系。当测量到8.63的红移时,我们发现光走了132.4亿年才到达我们身边。更准确地说,我们看到的星体是宇宙只有5.73亿岁时的星体。

但由于宇宙一直在膨胀,这个星系可能不止132.4亿光年,可能距我们有303.5亿光年。要注意,这意味着,如果你能立即从这个星系向我们发送一个信号,它会走30.35光年的距离。如果你试图从这个星系向我们的眼睛发送一个光子,由于黑暗能量和不断膨胀的空间结构,这一光子实际上永远无法到达。那个星系已经一去不复返了。事实上,我们可以用我们现在的望远镜(如哈勃和凯克)看到它的唯一原因是,在这个星系的方向上,阻挡光的中性气体特别稀少。不要以为这个星系要么是现存最远的,要么是我们能看到最远的。我们在这个距离上可以看到我们的设备和宇宙允许我们看到的最简单的星系——那些具有最少中性、光阻气体的星系、那些最大和最亮的星系以及我们的仪器敏感的星系。未来几年,詹姆斯·韦伯太空望远镜可能会看到比这更远的星系,因为它可以探测到更长的波长(更高的红移),可以寻找不被中性气体阻挡的光,并且可以看到比我们现在的望远镜(如哈勃、斯皮策和凯克)看到的更微弱的星系。理论上,最早的星系应该在15到20的红移时出现,也许只有少数几个星系形成得更早。作为参考,下表是星系的红移,光旅行时间,大爆炸后的形成时间,以及与我们距离的对比:

请注意,仅仅是一点点时间的变动就会导致距离的不同:4亿年的时间可能意味着超过10亿光年的距离!那里最早的星系还没有被发现,但我们所知道的最远星系已经超过300亿光年了。所有最早的星系都在那里,正在等待我们去探索,我们要以我们的方式,更好地了解我们的过去。
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