宇宙為何越膨脹越“變冷”？紅移、溫度與距離的真正關係！

當我們觀測那些離我們很近的天體,無論是在地球上,太陽系裏,還是銀河系內部,它們的光給我們的信息,其實都挺直接,挺好理解的。 舉個例子,太陽距離我們大約1.5億公里,它發出的光需要穿越這一段空間大約飛行500秒,也就是八分多鐘,才能抵達地球。 再看看一個時光年外的恆星,它的光要走整整十年才能到我們這裏。 如果是一顆位於銀河系另一頭,八萬光年之外的恆星,那我們看到的,就是它八萬年前發出的模樣。 對這些近距離天體來說,有三個關鍵點非常簡單,非常一致,它們的紅移都是零。 宇宙大爆炸遺留下來的背景溫度,對我們來說恆定在大約2.725K,我們看到它們的距離和看到的是多久以前的樣子,這兩個數值是一樣的。 之所以會這麼簡單,是因爲地球,太陽系,銀河系,甚至我們所在的本星系群,它們彼此之間都是被引力牢牢綁定在一起的。 在這些結構內部,空間並不會被拉伸,也就是說,距離不會因爲宇宙膨脹而變大。 但一旦我們把視線放得更遠,超過約五百萬光年,情況就完全不一樣了。 在更大的尺度上,宇宙的膨脹開始真正發揮作用,影響那些遠方星系的光怎樣抵達我們。 這時我們就多了幾種方式來描述一個遙遠天體,你可以用它的紅移,它當時的宇宙溫度,它離我們的實際距離,或者我們看到它的回溯時間。 不過,這些物理量之間的關係可一點都不簡單。 接下來,我們就來解開它們之間究竟是怎樣互相聯繫的。 讓我們從最容易測量的現象開始,紅移。 當你測量一個遙遠的物體時,你實際上測量的是它的光,或者說是從該物體發出併到達你眼睛的光子。 在實驗室中,當我們研究原子、分子或離子時,我們可以觀察到它們會發出三種類型的光信號。 第一種是連續譜光,任何物體或系統被加熱到特定溫度時都會發生這種情況,它會發出熱輻射,也就是黑體輻射光譜。 第二種是發射線,當原子、分子或離子的電子處於激發態時就會發生這種情況。 當電子從高能級躍遷到低能級時,它們會發射特定波長的光,這些波長對應於該特定原子、分子或離子構成的量子躍遷。 第三種是吸收線,它與發射線的情況正好相反,這些原子、分子或離子會吸收來自其背後的光,無論是來自類星體、背景星系、恆星還是連續譜, 從而展現出相同的特徵量子躍遷。 只要光線在平坦、不變、不膨脹的空間中傳播,其發射波長就會與接受觀測到的波長相匹配,就像我們太陽光的情況一樣。 但如果發射物體與觀測者之間的空間確實在膨脹,那麼光的波長也會在穿過分隔光源和觀測者的空間時被拉伸。 光在膨脹的宇宙中傳播,這種空間膨脹會將自身印記在空間內光的波長上,導致波長本身也變長。 由於藍光是短波長光,紅光是長波長光,因此光波長的這種變化也被稱爲紅移。 當我們觀測到波長比發射時更長的光時,我們就稱這種光發生了紅移。 紅移的定義相對簡單,它是觀測到的光的波長比發射光的波長長出的倍數。 如果光完全沒有發生紅移,那麼發射波長和觀測波長將相等。 在這種情況下,紅移等於0,因爲觀測波長與發射波長的比值等於1。 但如果存在紅移,那麼觀測波長將比發射波長更長,而波長的增加量即爲紅移。 當你觀測遙遠的天體,例如類星體或星系時,你無法直接測量它的紅移。 然而,你可以利用光譜觀測技術來測量其吸收線和或發射線的位置。 由於我們知道原子、分子和離子如何發射和吸收光,因此我們能夠識別的每種物質都會在包含該物質的天體的光信號中留下獨特的指紋。 只需將我們從遙遠星系觀測到的譜線與我們在實驗室觀測到的譜線進行匹配,並嘗以關鍵的紅移因子,我們就能計算出該天體的紅移值。 接下來,你可以輕鬆地推算出該光發出十宇宙的溫度。 所有形式的光,包括來自赤熱大爆炸本身的光,在不斷膨脹的宇宙中傳播時,都會被拉伸相同的因子E加Z。 因爲我們可以精確地測量宇宙大爆炸遺留下來的光的溫度,集體等於2.725K,所以我們只需將今天的溫度乘以相同的因子。 即可知道宇宙在被觀測物體發出光的那一刻的溫度,E加Z。 這並非我們理論上所知,因爲我們擁有直接測量宇宙微波背景輻射溫度隨紅移變化的技術,而測量結果與這一預測驚人地吻合。 那麼時間呢,時間就複雜一些了,因爲光傳播的固定距離並非像地球表面兩點之間的距離那樣容易計算。 例如,如果你想知道底特律和芝加哥之間的距離,你可以考慮地球區域,並繪製出連接這兩個城市的最短路徑。 結果顯示,它們之間的距離精確爲383.63公里,這意味着如果你在這兩個地點之間傳輸光信號,需要1.28毫秒,這是光以光速傳播這段距離所需的時間。 然而,在不斷膨脹的宇宙中,光信號從發射點傳播到觀測者目的地的最終吸收點時,任意兩點之間的距離都會發生變化,因此計算任意兩點之間的光行進時間就變得更加複雜。 我們對距離也存在類似的問題,原因也完全相同。 事實上,當我們問發射的光信號與接收該光信號的觀察者之間的距離是多少時,我們必須認識到,與我們剛纔討論的底特律到芝加哥的距離不同,這兩個點之間的距離實際上會隨着光信號從光源傳播到觀察者的時間而變化。 當你詢問任意兩點之間的距離時,你必須明確你指的是光信號首次發射時光源與觀察者之間的距離,光信號最終到達觀察者時光源與觀察者之間的距離,還是光信號從光源傳播到觀察者整個過程中所經過的距離。 由於我們作爲觀察者所處的位置和時間不同,我們對距離和時間的理解也略有差異。 我們將距離視爲第二個選項,如果你能瞬間從你所在的位置到達你所觀察的光源,那麼你所在的位置與你所觀察的位置之間的距離就是這個距離。 但我們將時間視爲第三個選項中的光行時間,因爲那是我們觀察到的光從發出光源到達我們實際花費的時間。 爲了進行這些計算,你需要精確地瞭解宇宙隨時間膨脹的方式,而這需要掌握兩方面的知識。 首先,你需要測量哈勃常數,方法是測量各種天體的距離和紅移。 儘管我們目前正面臨着哈勃張力之謎一些研究小組使用,早期遺蹟法得到的哈勃參數值約爲67千米每秒,每百萬秒差距。 而另一些研究小組使用更傳統的距離階梯法得到的哈勃參數值則高出約9%,約爲73千米每秒,每百萬秒差距。 但兩組結果都可以用於推導出正確答案。 其次,你需要計算出構成宇宙的每個組成部分的能量密度佔比。 這意味着你需要知道宇宙能量密度中各種形式的百分比、暗物質、暗能量、普通物質、中微子、光子等等。 你需要知道宇宙的構成,以及這些宇宙組成部分在宇宙演化過程中的演變。 你或許會擔心哈勃張力會嚴重阻礙我們測量遙遠、天體的距離以及光從光源傳播到目標所需的時間。 但實際上,它並不那麼重要。 這背後有着深刻的原因。 原因如下,各能量分量的最佳擬合值高度依賴於我們選擇的哈勃常數值。 例如,如果我們選擇哈勃常數爲73千米每秒,每百萬秒差距, 那麼宇宙的組成如下,76.5%暗能量、18.5%暗物質、4.9%普通物質、0.1%中微子以及約0.01%的光子, 由此得出宇宙的年齡爲138億年,最大可觀測距離約爲478億光年。 另一方面,如果你選擇來自另一類合理測量方法的哈勃常數值, 則只能得到較小的值67千米每秒每百萬秒差距。 最適合該宇宙成分的數值爲67.9%暗能量、27.1%暗物質、4.9%普通物質、0.1%中微子以及約0.01%光子, 由此得出該宇宙的年齡爲138億年,最大可觀測距離約爲460億光年。 宇宙年齡和光行回溯時間幾乎相同,即使在我們能夠觀測到的最大距離上,距離差異也小於4%。 我們還了解到,當我們觀測近距離天體時,回溯時間與天體距離之間的差異非常小。 只有對於極其遙遠的天體,這種差異才會變得明顯且顯著。 以下是一些紅移,回溯時間和距離的視理值,或許能幫助您理解。 這些數值,特別是距離的數值,如果在允許的不確定性範圍內改變宇宙學參數,可能會發生非常小的變化。 但紅移,溫度,回溯時間和距離之間的差異和關係與已建立關係的總體性質相比非常小,如上圖所示。 例如,當我們談論迄今爲止發現的最遙遠的星系μ-Z14時,我們可以這樣描述, 它的紅移值爲Z等於14.4,觀測於宇宙溫度爲41.97K的時期,回溯時間爲135.31年, 也就是宇宙僅有2.82億年曆史的時候,並且它位於距離我們338.4億光年的宇宙距離上。 爲了弄清楚這些信息,我們必須正確考慮宇宙的膨脹, 以及隨着我們觀測到越來越高的紅移,距離,時間和溫度是如何演化的。 我們之所以能夠如此精確地確定宇宙距離和回溯時間, 正是因爲我們對宇宙的性質和組成有了非常深入的瞭解。 直到上世紀90年代中後期,這類數值的不確定性仍然非常大, 近距離天體的誤差約爲20%,遠距離天體的誤差甚至可達兩倍。 然而,如今,近距離天體的距離和回溯時間的不確定性已遠小於1%, 即使是我們觀測到的最遙遠的天體,其不確定性也幾乎不超過2%。 我們終於真正確定了宇宙及其內部天體的尺度, 對於我們發現的任何星系或類星體,只需進行一些光譜分析, 揭示其宇宙紅移,我們就能真正瞭解它的一切。 微博望遠鏡找到紅移值16.7的星系,到底說明了什麼? 現在微博的發現幾乎每天都在更新, 如探測到了1000多光年系外行星的大氣光譜, 發現了距離我們135億光年的星系, 說明微博一出手,就超出了即將退役的前北哈勃空間望遠鏡的能力。 而最近媒體熱炒的一個紅移值Z等於16.5的星系, 更是實錘了微博不負衆望,將人類眼界向深空推進了一大步。 上世紀初美國天文學家哈勃發現了宇宙膨脹現象, 就是遠方所有星系都在遠離我們, 各向同行,離去的速度與距離成正比, 就是說不管從哪個方向看,星系都是離開我們的, 並且距離越遠越快,成比例關係。 由此哈勃得到了一個定律,表述爲V等於HD, 這裏的V表示星系離開我們的速度,H表示哈勃常數, D爲星系與我們的實際距離, 哈勃常數位是指距離我們百萬秒差距的地方, 星系每秒離開我們的速度。 微博望遠鏡發現了一個被命名爲Blast Down Z13的星系, Z13代表紅移值爲13, 這個值對應的是大爆炸後約3億年發出的光。 根據宇宙年齡138.2億歲計算, 這個星系距離我們約135億光年。 這只是Blast Down Z13星系剛剛發出光時與我們的距離, 根據宇宙膨脹規律, 這個星系現在已經退行到330億光年距離了。 研究表明,Blast Down Z13的質量只相當太陽質量的10億倍, 而銀河系的質量爲太陽萬億倍以上, 這個星系只有銀河系的0.1%, 說明是一個極小的星系。 研究還認爲這個星系的年齡只有約7100萬歲左右, 因此是一個剛形成不久或者說正在形成的嬰兒星系。 在韋伯發現這個星系之前, 宇宙中發現最遠的星系是GN-Z11, 這個紅一量11.1的星系對應我們距離134億光年, 是哈勃望遠鏡發現的最遠的星系。 也就是說,韋伯望遠鏡一睜開眼, 就將人類視力延伸了1.5億光年, 由此引起了世界科學界和媒體的轟動。 但韋伯的厲害還遠遠不止如此, 天文學家們現在只是將GL-Z13作爲進一步調查的候選者來研究。 在韋伯傳回的圖片中, 天文學家們還發現了幾顆紅一量更大的星系, 其中有一個達到Z大於14, 還至少有三個達到Z大於16, 其中有一個Z等於16.7。 這說明了什麼呢? 說明有可能韋伯望遠鏡拍攝到了距離我們136億光年以上的星系, 這些星系只是宇宙大爆炸兩億年左右的樣子。 韋伯望遠鏡最重要任務之一, 就是探測研究宇宙大爆炸發出的第一縷光, 據標準宇宙模型測算, 這束光發生在大爆炸38萬年以後, 宇宙從極高溫度和極高密度狀態下得到冷卻和稀釋, 光子才能得以脫偶而出, 從此宇宙才變得透明和可見。 這縷光迸射開來一直冷卻了138億年, 現在以宇宙微波背景輻射的方式存在於整個空間, 溫度約爲2.73K, 韋伯的任務時間爲十年, 現在睜開眼睛才半個來月, 已經看到了136億年前的宇宙樣子, 且驚人的發現不斷傳來, 那麼最終能夠看到第一縷光的樣子嗎? 我們拭目以待, 宇宙的膨脹不僅拉開了星系與星系之間的距離, 也悄悄重塑了我們看到的一切, 光的波長被拉長, 顏色被推向紅端, 溫度隨着時間流逝不斷下降。 從2.7K的宇宙微波背景, 到JWST發現紅移高達16.7的遠古星系, 我們看到的是一個正在不斷變大不斷變冷, 也不斷向過去敞開窗口的宇宙。 理解紅移、溫度、距離與時間的關係, 其實就是在理解宇宙的生命軌跡。 而每一次仰望星空, 我們看到的都不僅是天體本身, 而是跨越了億萬年的時空回升。 如果你覺得今天的內容有啓發, 也別忘了留言告訴我, 你認爲我們還能用紅移揭開宇宙哪些未知的祕密? 我們下一期再一起探索宇宙的深處。