限制人类天文观测距离极限的是空间(太远了看不见)还是时间(宇宙诞生仅 137 亿年)?

限制人类天文观测距离极限的是空间(太远了看不见)还是时间(宇宙诞生仅 137 亿年)?

Flyingspace,天体物理学家

的确之前有几个人发表了自己的回复,我在这里做一个补充。

我们人类究竟能看到多远的宇宙?这事听起来像个技术活,望远镜造得越大、越灵敏,我们就能看得越远。但如果你深入想一想,就会发现,背后其实藏着一个更根本的问题:限制我们看远的,是”空间距离太远“,还是“时间还不够久”?

答案其实挺出人意料的:真正限制我们“看多远”的,其实是时间,而不是空间。

下面我们慢慢聊。先说空间距离这事儿。宇宙这么大,星星离我们都动不动就几十亿光年起步。光走这么远,自然会变得越来越暗。再加上宇宙在膨胀,光的波长会被“拉长”——这就是天文学里说的红移,原本的紫外光、可见光,最后都变成了红外甚至微波,我们普通望远镜就看不到了。

而且,远处的星系也未必够亮,有些小天体压根亮度就太低,望远镜再牛也抓不到它发的那点儿光。所以说,“太远”确实是一个现实问题。

但好消息是,这种限制是可以靠技术慢慢突破的:我们可以利用更大的望远镜,比如詹姆斯·韦布;也可以更换观测手段,比如用红外、射电波段;还可以借助宇宙中的引力透镜效应;甚至发展全新的探测方式,比如引力波天文学。

这些年,天文学家不断刷新“最远星系”“最早星光”的纪录,这就说明“远”这个问题,是可以想办法解决的。

但“太早”真的没办法 —— 时间才是硬核边界。接下来,我们聊聊“时间”这个限制。这个可不是你造再牛的设备就能解决的,因为宇宙的年龄就只有 138 亿年,光再努力也不能从比它更早的地方飞来。这不是设备的问题,是宇宙本身的“设定”。

大家可能听说过宇宙微波背景辐射(CMB)。它就是我们现在能“看到”的最早的光,来自宇宙刚出生大约 38 万年后。为什么那时候才有光?因为在那之前,宇宙就像一锅沸腾的粥,充满了自由电子和质子,光子一跑就被撞回来,根本没法自由传播。直到“宇宙冷静下来”,这些粒子结合成中性原子,光才有机会逃出来,自由传播到今天。也就是说,在那“逃出来”的那一刻之前,宇宙对我们来说是完全“看不到”的黑箱子。不管你造多牛的望远镜,也无法穿透那段黑暗期。时间的边界,就像宇宙给我们画的一道“观测地平线”。

那为什么我们还能说“看到 465 亿光年远”?这个事儿听着有点绕。宇宙才 138 亿岁,我们怎么还能“看到”465 亿光年远的地方?答案是因为宇宙在膨胀。你可以这么理解:某个遥远星系在 138 亿年前发出光,光用了 138 亿年才到我们这儿。但在这段时间里,空间本身在变大,所以这个星系现在的位置,已经比当时远得多,可能已经被“拉远”到了 465 亿光年之外。我们看到的是它 138 亿年前的样子,但它现在早已不在原地了。所以,宇宙看起来像一个巨大的“光形成的泡泡”,我们就生活在这个泡泡中心,它的半径就是“可观测宇宙”的边界。

那我们还有办法看到更“早”的宇宙吗?有!虽然光看不到更早的宇宙,但宇宙不止发电磁波的“光”。科学家正在研究一些的信使,比如:

  • 比如原初引力波,在宇宙刚刚诞生后的极短时间(10^−36 秒)里,空间可能发生了“暴涨”,这过程可能产生了引力波;
  • 比如宇宙中微子背景,中微子在宇宙刚诞生一秒钟左右就已经满天飞了,现在还在宇宙中游荡着,只是特别难被探测;

这些都是天文学界最前沿的方向,说不定未来真能让我们“听到”宇宙出生时的声音。

最后总结一下,时间终究是我们无法翻越的那堵墙。从技术上来说,“遥远的空间”是一道可以靠人类智慧和努力不断推进的门槛。我们能看到的,永远只是过去。而且,宇宙从某一刻起,宇宙才允许我们看到。