太阳系外漫游④：可观测宇宙 | 观天者说
原创 王汇娟 中国科学院国家天文台 2020-06-13收录于话题#观天者说75个↑ 点击上方蓝字关注我们guān观tiān天zhě者shuō说--- 音频科普栏目 ---
大家好，我是中科院国家天文台的王汇娟，上一期大家了解了星系和星系团，今天，让我们一起来探访可观测宇宙！
④可观测宇宙00:0006:56
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晴朗的夜晚，在灯光比较少的乡村或野外，抬头便可看到满天繁星。如果相机拍摄的星空美得如同压成书签的花瓣，那真实的星空就如同一朵正在盛开的花，有着深邃的空间和生命力。此时我们常会情不自禁地感受到自己往日的烦恼是如此微不足道，内心会在星空下忽然平静。然而，此时我们却只是窥见了宇宙的一角。
图1. 星空 (摄影：于海童)什么是宇宙？很多人认为宇宙就是无边无际的空间，实际上宇宙并不仅是空间的概念。距今1800多年我国古籍中已给出了今天看来依然比较准确的定义，即“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。“宇”是无边无际的空间，“宙”是有始无终的时间。随着物理学的发展，在大约100年前，人类发现空间、时间、物质和能量之间有着密不可分的关系，因此宇宙更准确的定义是空间、时间、物质和能量的总和。宇宙从何而来？现在比较广泛被接受的是由美国物理学家伽莫夫于1948年提出的大爆炸理论。这个理论认为宇宙开始于一个质量无限大、体积无限小的奇点，之后经过几个阶段，形成我们现在的宇宙，并在继续加速膨胀。
图2. 宇宙大爆炸（图片来源：NASA/Cherkash，稍作修改）什么是可观测宇宙？可观测宇宙是我们通过电磁波和引力波等方式能探测到的宇宙范围，是一个以探测者为中心的球形区域内的宇宙。基于爱因斯坦广义相对论，宇宙中最快的速度是真空中的光速。基于大爆炸理论和目前测得的宇宙参数值，宇宙的年龄约为138亿年[1]。因此，地面和空间望远镜能接收到的光最早来自约138亿年前。如果考虑到这138亿年间宇宙的膨胀，基于天文学家计算，我们接收到的这束光的光源已距我们约470亿光年[2] [3] [4]（见图3-4）。
图3. 可观测宇宙模拟图。中心为银河系所在的室女座超星系团，图中的白点表示超星系团。（图片来源：Andrew Z. Colvin，稍作修改）
图4. 可观测宇宙的对数示意图，已标示出一些著名天体（图片来源：Pablo Carlos Budassi，稍作修改）在宇宙早期高温高压的环境中，光子受到电离状态的质子和电子的阻拦而无法有效向外传播，直到大爆炸后38万年左右，宇宙冷却到质子和电子大量结合在一起，背景辐射光子才比较畅通地向各处传播，形成了现在的几乎均匀分布于各个方向，只有很小温度起伏的宇宙微波背景辐射（CMB）（见图5）。这一辐射的峰值温度约为-270℃，位于微波波段，因此称为宇宙微波背景辐射。
图5. 欧洲航空局（ESA）的Planck卫星观测到的宇宙微波背景温度、平滑后的温度、偏振情况。温度起伏只有十万分之一。（图片来源：ESA/Planck合作团队）基于Planck卫星观测结果，天文学家发现宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的恒星和星系等普通物质组成（见图6）。
图6. 基于Planck卫星观测数据得到的宇宙组成情况。（图片来源：ESA/Planck 合作团队，稍作修改）夜空中全黑的区域里有什么？在理想条件下，我们夜间裸眼能看到全天约6000多颗亮于6.5星等的天体，这些天体散布在黑色的天幕上。人们借助望远镜观测裸眼看上去全黑的天区，发现那里隐藏着一些看起来更暗弱的天体，且随着望远镜口径的增大，人们探测到了隐藏在小望远镜视场中黑暗区域中的更暗弱的天体。这些天体虽然看上去暗弱，但研究表明，它们大部分是质量在千亿颗太阳质量的星系和类星体。不过，即使用目前地球上最大的10米口径光学望远镜去观察夜空，并且进行长时间曝光叠加，依然有一些区域中并未探测到任何天体。那些夜空中最黑暗的区域真的什么都没有么？还是存在更暗弱、更遥远的天体呢？要回答这个问题，目前地球上的光学设备已无用武之地。这是因为：地球的大气层因辉光和散射等会有一定亮度，来自非常暗弱的天体的辐射会淹没在夜间天光背景中而无法分辨。天文学家使用哈勃太空望远镜对这样一片全黑区域进行了长达100多天的观测，累积曝光时间达约11天。当这些数据被叠加到一起时，就得到了图7这幅哈勃超级深场图。这幅图中，除了几颗来自银河系的前景恒星以外，其他都为遥远的星系和类星体。从这幅图我们能看到宇宙很久以前的样子。相当于我们做了一次时空穿越（见图8）。
图7. 哈勃超级深场图。左下角红色小方块为此图视场大小与月面的比较。（图片来源：NASA/ESA）00:50图8. 哈勃超级深场图与哈勃16年观测天区拼图的缩放展示动画（图片来源：NASA/ESA/G. Illingworth/G. Bacon）迄今发现的最遥远星系是位于大熊座的红移约为11.1的不规则星系GN-z11[5]（见图9）。它的大小只有银河系的1/25，质量也只是银河系的1%，形成恒星的速度却是银河系的20倍。我们看到的是它约134亿年前的样子（见图10），对应宇宙大爆炸后4亿年。如果如今的宇宙是一位百岁老人，那当宇宙还是一位3岁稚童的时候GN-z11就已经存在了。
图9. 光谱证认的迄今最遥远的星系GN-z11 （图片来源：NASA, ESA, P. Oesch and B. Robertson,A. Field，稍作修改）00:32图10. GN-z11位于大熊座。动画中先标出了北斗七星，然后标出了大熊星座。（图片来源：NASA, ESA, G. Bacon; science - NASA,ESA, P. Oesch, G. Brammer, P. van Dokkum, G. Illingworth）黑夜给了我一双黑色的眼睛，我却要用它寻找光明。——顾城蓝天是一幅层次最丰富的画卷，夜空中的全黑区域可能是宇宙中最深邃的深渊，那里藏着我们诞生以来最基本的好奇和答案。更多精彩，请关注观天者说。参考文献：[1] Collaboration Planck et al., Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters, 2016, A&A, 594A, 13P[2] 陈学雷，宇宙是唯一的吗，科学通报，2017，62，11，P1103-1110[3] 李然，漫步到宇宙尽头，湖南科学技术出版社，2017.5，P113[4] Itzhak Bars et al., Extra Dimensions in Space and Time, Springer, 2009.11, P27[5] P. A. Oesch et al., A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy, 2016, ApJ, 819, 129O主讲人简介王汇娟，中国科学院国家天文台星云计划研究员。主要从事恒星物理和高精度测光和光谱探测方法研究。主编：石硕轮值主编：姜晓军文稿撰写：王汇娟音频后期：杨帆栏目监制：万昊宜、宋雅娟编辑：赵宇豪、柒柒
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