地球,太阳系,包括整个银河系和离我们最近的几千个星系,都在一个直径为2.5亿光年的巨大“泡泡”结构中运行。我们看似巨大的结构在宇宙中只是微不足道的一粒沙尘,宇宙中还有很多类似的巨大结构,组成了可观测宇宙,而可观测宇宙又是整个宇宙的一个小小的斑点。宇宙巨大到无法想象,不过对于天文学家来说,比宇宙的大小更令人难以琢磨是宇宙的膨胀演化和宇宙的未来。
自138亿年前,宇宙经历大爆炸诞生以来,它就一直在膨胀,这一理论最初是由比利时的乔治·勒迈特提出的,而埃德温·哈勃则首先证明了这一观点。天文学家在1929年就发现,每个星系都在远离我们,这也表明过去有一段时间所有星系都位于同一地点,这个时间对应的就是宇宙的起源,也就是大爆炸。
宇宙膨胀还意味着,无论我们身处哪个星系,其他的星系都在远离我们,也就是说星系并没有在太空中移动,而是在宇宙空间本身在扩大。换句话说,宇宙没有中心,一切都在远离其他的一切。听起来好像很矛盾,我们可以想象在一个1000万光年之内有一个星系的空间参考系网格,网格的对角有两个星系,那么经过足够的时间后,该网格将伸展,星系将离得更远,如果时间足够,这两个星系之间的距离将是无限的。
天文学家们为了解释宇宙膨胀,还拿了一块葡萄干面包。我们可以想象宇宙是这个葡萄干面包本体,随着面包自己在膨胀,在里面的葡萄干的距离越来越远,但是值得注意的是,葡萄干,也就是这些星系仍然停留在面团中,星系自己其实没有动。回到宇宙当中,星系(葡萄干)可能会在某一时刻消失,我们再也看不到了,因为宇宙膨胀的速度如此之快,以至于它们的光从未到达过地球。
伴随宇宙膨胀而来的哈勃常数
确实,宇宙一直在膨胀,但是宇宙膨胀的有多快呢?说到这里,我们要说的一个理论名为哈勃常数,哈勃常数其实就是用来计算宇宙随时间膨胀的速度。天文学家自2005年以来一直在用哈勃望远镜探索并细化这些距离测量,测量之后天文学家们还需要对哈勃常数进行微调。在最新的研究中,天文学家使用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云中的70颗造父变星的光度变化,测试的结果使天文学家们对哈勃常数的不确定度从早期估计的2.2%降低到了1.9%。
研究人员利用所有这些信息计算现代宇宙的膨胀率,新的数值是每326万光年范围内,宇宙每秒膨胀74.03公里。天文学家之后对数值进行了多次计算,这个数字的不确定性,也就是错误率仅为1.9%。这是迄今为止计算得出的最低的宇宙膨胀错误率值,低于2001年的10%和2009年的5%。相比之下,天文学家预期估算的扩展速率约为每326万光年范围内,宇宙每秒膨胀67.40千米。