站在平原上看地平线,大约五公里外。这个距离不是「地面的尽头」,而是视线能延伸到的最远处——再远的地方被地球的曲率挡住了。宇宙也有这样一条视线尽头,但它的数值很反直觉:年龄 138 亿年,半径却有 465 亿光年,两者差了将近三倍多,这个差距正是膨胀留下的痕迹。
可观测宇宙的半径约 465 亿光年,直径约 930 亿光年,这是「共动距离」,不是光走过的路程。最远的光走了约 138 亿年,但它出发时离我们很近,一路赶来时空间一直在膨胀,所以那些光今天所在的位置已被推到 465 亿光年外。
138 亿年是光走的时间,不是今天的距离
最容易混淆的一点:光行时间乘光速给出 138 亿光年,这个数字常被当成宇宙半径,其实它只是「光在路上花了多久」。
如果宇宙不膨胀,两者相等。但宇宙在膨胀,光出发时那段空间离我们比今天近得多,光一边赶路,一边被空间带着走,实际走过的共动距离远大于 138 亿光年。
465 亿光年来自把膨胀历史积分进去
正确做法是:把红移从 0 积到约 1100,每一小段用当时的膨胀率换算成共动距离,再加起来。
这个积分依赖宇宙学参数。在 Planck 2018 的参数下,结果是约 14.3 吉秒差距,即 465 亿光年。半径定了,直径就是 930 亿光年。
顺带说,这个球里大约有 2×10¹² 个星系,这是从巡天观测到的数量密度外推的。
这条边界是「能看到的最远处」,不是宇宙的边缘
「可观测宇宙的边界」这个说法容易让人以为宇宙到此为止。它其实只标出了因果联系的极限:比这更远的地方,光还没有足够的时间到达我们。
宇宙本身很可能比这大得多,甚至可能是无限的。可观测宇宙只是以我们为中心的一块切片,换一个星系做观测者,会得到另一个同样大小、中心不同的球。
边界之外还有东西,但它永远进不来
如果暗能量保持 w = -1,膨胀会持续加速。远处那些星系今天的退行速度已经超过光速,未来的光再也追不上我们。
对应还有一个「事件视界」,共动半径约 160 亿光年。超出这个范围的事件,即使现在发生,其信号也永远到不了地球。这与粒子视界不是同一个概念:前者关乎未来,后者关乎过去。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 宇宙年龄 | 约 138 亿年 | Planck 2018 |
| 最后散射面红移 | 约 1100 | Planck 2018 |
| 共动半径 | 约 465 亿光年 | 由红移积分得到 |
| 直径 | 约 930 亿光年 | 同上 |
| 可观测星系数量 | 约 2×10¹² 个 | 巡天数量密度外推 |
| 事件视界共动半径 | 约 160 亿光年 | ΛCDM 计算 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
因为 138 亿光年是光走的时间乘光速,而空间在这段时间里膨胀了。用共动坐标表示,当初发出那批光的物质今天已经在 465 亿光年外。
按现有模型,外面还是同样的宇宙,只是超出了因果联系的范围。我们无法观测它,也无法用观测区分「外面有东西」和「外面什么都没有」。
粒子视界会随时间增长,但增速在放缓。由于膨胀加速,未来新增的可观测区域越来越少,最终会趋于一个上限。
延伸阅读
- Planck Collaboration 2020, Planck 2018 results. I. Overview, A&A 641, A1
- Hogg, D. W. 1999, Distance measures in cosmology, arXiv:astro-ph/9905116
- ESA Planck 任务科普页(esa.int/Planck)