宇宙加速膨胀，星系越来越远，怎样才能观测到更广阔的宇宙？

后会无期846

我们怎样才能看到正在消失的宇宙？

图 1像武仙座星系团一样，一些遥远的星系不仅会因为远离我们而发生红移，还会有明显的加速衰退现象。最终在一定距离以外，我们将不再观测到来自它们的光。

上世纪二十年代，科学家们基于对星系距离的测量和红移现象发现宇宙正在发生膨胀。到了九十年代，我们知道宇宙不仅仅是在膨胀，那些向更远处移动的遥远星系甚至具有一定的加速度。其潜在原因一度被认为是暗能量——它将使宇宙消失在流逝的时间里。

毫无疑问：可见宇宙中有大约两万亿星系，其中的97%我们就算此刻以光速出发，依然毕生无法到达。但是虽然我们到达不了，我们仍然可以观测到它们。更令人着迷的是：新的前所未见的星系们正在不断地被我们观测到。我们可能永远无法抵达那些正在消失的地方，但却可以看到它。如图所示。

图 2在对数尺度上，我们附近是太阳系和银河系，远处则是宇宙中的其他星系，大尺度的宇宙网，甚至是紧随大爆炸之后的状态。我们目前还无法观测到这个半径为461亿光年的宇宙视界以外，但未来势必会实现更广阔的观测范围。今天，可见宇宙里面包含两万亿个星系，日后，更辽阔的宇宙空间将会被包含进来。

广义相对论框架下的引力理论告诉我们，宇宙不可能保持静止。除非我们甘心抛弃有史以来最成功的两个物理模型之一，宇宙的膨胀或塌缩话题就不可避免。

原因很简单。如果宇宙中到处充满了等量的物质和能量——就像我们观察到的那样——我们就可以精确地计算出来时空是如何演变的。这只取决于三点：

1.膨胀或者收缩率的初始值是多少（可能会是零）

2.目前宇宙中包含的物质和能量总量有多少

3.不同类型的能量分别有多少（物质，暗物质，中微子，辐射，暗能量等）

这样我们就能推算出宇宙的过去和未来。

图 3图示揭示了红移现象在膨胀的宇宙中是如何发生的：在膨胀的宇宙中，当一个星系越来越远，它发射的光将会传播更远的距离花费更久的时间才能到达观测点。在暗能量控制的宇宙中，这就意味着个别的星系在远离我们的过程中看起来似乎在加速，而另一些星系的光可能直到今天才首次抵达我们。

经过几十年的研究，天文学家们已经可以从河外星系的角度来确定我们宇宙今天的形象了。星系们聚集成组，成团，成丝线状，这种形式让我们理解了宇宙的大尺度结构。如果我们把目光转向宇宙微波背景——今天的星系结构形成的起源，我们就能得到一组首尾相连的图像，揭示了一切是如何演变成为今天的模样的。

如果我们追本溯源，就能够得出一个一致的结论。那就是：我们的宇宙自从大爆炸开始已经存在了大约138亿年，它由68%暗能量，27%暗物质，4.9%正常物质，0.1%中微子、光量子和其他物质组成，并且永远不会再塌缩。

图 4图示揭示了宇宙可能的不同命运，符合实际的加速模型显示在右。持续的加速度保证了每个星系一旦不能被我们自身的引力束缚就会加速远离我们，最终不仅会变得遥不可及，而且总有一天会无影无踪。

取邻近的一个单独的星系为例，我们可以看看它是怎样随着时间的流逝消失在我们的视野之中的。你将会看到：开始它会经历固有的进化过程：吸引一些较小的卫星星系，吸收并且吞噬它们，与此同时形成新的恒星波。如果它和相似体量的星系相撞，就会产生星爆，从而形成一个椭圆星系并把形成恒星的气体消耗殆尽。

注意，这个星系即使是在进化的过程中，也会变得越来越远，随着时间流逝呈现出越来越大的红移量。当它到达一个临界距离时——大概150亿光年——红移量超过1，这表明它已经处于一个临界位置——原则上是一个我们能否以光速抵达的分界点。

图 5图示为宇宙的可见区域（黄色边缘，包含2万亿星系）和可达区域（品红色边缘，包含660亿星系），这是由空间的膨胀和宇宙的能量组成造成的。黄色边缘以外还有一个更大的（想象的）边缘，包含了4.7万亿星系，代表了遥远的未来人类可能抵达的最远边界。

如果取一个极远的单独星系为例，你看到的将会截然不同。假设这个星系最初是可见的，你看到的将是它遥远的过去：回到第一束光发出的时候，沿着宇宙膨胀的历程继续向前。它的光将会发生巨量的红移——甚至达到最初发射波长的两倍。而你看到的星系比今天——大爆炸结束以后138亿年的真实的星系，要年轻得多。

随着时间的推移，如果你把时钟拨快数十亿年，你将会看到这个星系的光：

变红变暗显示它越来越远它所显示的银河系进化程度达到极限

即使你观察了数百千亿年，它永远也进化不到和我们一样的程度。我们所看到的它，永远到不了138亿岁。

图 6虽然在极深的区域有超大的、超远的、非常红的星系甚至是红外星系，有些星系甚至比我们在最深处的观测中发现的还要遥远。这些星系对我们来说始终可见，但我们永远看不到它们今天（大爆炸以后138亿年）的样子。

事实上，我们可以想象如果一个星系的光还没有抵达我们，我们能看到什么。大爆炸138亿年以后的今天，我们所能看到的物体最远大概在460亿光年处。但是任何现在处于610亿光年以内的物体，它的光终有一天会抵达我们。

如果光已经发出，正朝我们奔来。假设它已经走了大部分的路程，到达了150亿光年以内——一个我们此刻以光速出发就能抵达的极限。虽然宇宙在膨胀，膨胀在加速，这束光依然会在未来的某一天到达我们的双眼，在遥远的未来赋予我们看到更多星系的能力。

图 7我们最深入的星系观测可以发现数百亿光年远的物体，但在可见宇宙中，依然有成千上万的星系等着我们去发现。更激动人心的是，宇宙中有一些迄今还不可见的部分，终有一天会揭开神秘的面纱。

但是原则上来说，目前可见宇宙中有2万亿个星系，这个数量上升到4.7万亿将会耗费漫长的时间。

但我们刚才说过宇宙正在消失。我们如何才能在这个过程中既看到已经消逝的宇宙，又能看到更多的东西呢？

这就需要我们深刻地思考一个问题：当我们讨论一个遥远的星系正在消失时，暗能量意味着什么呢？调动直观的想象力，假设一个百分之百由物质构成，没有暗能量的宇宙。如果这样的话，遥远的星系就不会加速离开我们，而它明显的衰退速度会随着时间的流逝下降到越来越低的值。

图 8从我们的位置出发，可见宇宙的半径大概是460亿光年，毫无疑问，一定还有更多我们无法观察到的宇宙区域存在，甚至有无数个，就像我们观测到的宇宙一样。随着时间流逝，我们可以看到它更多的部分，最终看到的星系数量将会是今天的2.3倍。在没有暗能量的宇宙中我们甚至可以看到全部，但那不是真的。

这就意味着，任何可见天体的红移量都会随着宇宙的老去而逐渐消减。时间滴滴答答地溜走，新的发射光最终将会穿过宇宙抵达我们的双眼，正如我们会老去一样，所有的星系们也将逐渐衰老。然而，在一个没有暗能量的宇宙——一个减速的宇宙中，我们能够看到的星系是无限的，因此它们的表观寿命也是无限的。只要宇宙不死，探索的边界就会不断被更新。

在一个减速的宇宙中，不存在宇宙范围的限制。因为只要经过足够长的时间，任何一个星系的光都能够被我们观测到。它的第一缕光线一旦抵达我们，之后发射的所有光最终也都难逃我们的视线。

图 9过去不同时期宇宙中各种能量组分的相对重要性图示。注意：当未来暗能量几乎接近100%的时候，宇宙中的能量密度（膨胀速率）将会保持为在时间上任意超前的常量。由于暗能量，遥远的星系已经以明显的衰退速度加速远离我们。这一趋势始于60亿年前——暗能量密度才是总物质密度的一半的时候。

但宇宙并未减速，也不会没有暗能量。可以说，已有的暗能量“设置”了加速的规模和时间表，并且告知我们宇宙的边界在哪里。从它的出现和一些证明它存在的观测，我们可以得到关于一个已知星系的以下推论：

150亿光年以内：我们终有一天可以看到它今天（大爆炸以后138亿年）的模样；如果以光速出发我们甚至可以抵达它。

150到460亿光年之间：我们总能看到它，但是它的年龄会逐渐接近一个小于138亿年的有限值；即使此刻以光速出发，我们也永远到不了那里。

460到610亿光年之间：我们现在还看不到它，但未来总有一天可以看到，而且自那以后都可以看到；但它永远不会像我们今天所能看到的最早的星系那么古老；我们同样无法抵达它。

610亿光年以外：我们永远看不到它，也到不了它，那里的人也永远不可能看到或者抵达我们。

图 10我们完整的宇宙历史在理论上很好理解，但建立在我们理解并认同万有引力理论的基础上。因为我们已知宇宙此刻的膨胀速率和能量组成。光会穿过膨胀的宇宙持续运行，而我们也会持续接收无限远处发来的光，但至于什么会抵达我们，则受到时间的局限。我们需要探测到更暗的亮度和更长的波长，才能继续看到目前可见的物体，这些都是技术上的局限，而不是物理上的。

我们之所以能看到极远的星系，是因为它们早在宇宙还相当年轻相对较小的时候就发射出了光，而且一度和我们靠得很近。就算宇宙现在膨胀了，膨胀甚至还在加速，那些在数十亿年前发射出的光量子最终依然进入了我们的视野。除此以外，虽然它现在发出的光因为太远永远无法抵达我们，在那最初发射以后发出的光却能够持续抵达。

观测上的挑战在于：由于时间太长，抵达的光量子会越来越少，而光量子本身也会变红从而携带更少的能量。但我们只要针对正确的波段，修建更大更灵敏的望远镜，观测到的星系数量就会与日俱增——总量可高达4.7万亿——即使是在这样一个被暗能量控制的，日渐消亡的宇宙中。

作者: Ethan Siegel

FY: 莱利

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