人類看不到的宇宙到底有多少?

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這個遙遠的宇宙，就像在銀河系看到的一樣，由恆星和星系，以及不透明的氣體和塵埃組成。如人類目前所觀測到那樣，但不管我們怎麼看，都沒有看到這一切。圖片版權：Two Micron All Sky Survey (2MASS)

從物理學的規律開始，是一個充滿了特定數量物質和輻射的宇宙。一個熱的，密集的，膨脹的，基本一致狀態的宇宙等等。138億年後將是一個看起來像我們自己的宇宙。它充滿了恆星、星系、星系團、細絲（宇宙網）和數萬億的岩態行星、液態水和生命的機會。但是，可到達的宇宙究竟要走多遠？還有多少奧秘待揭示？

哈勃深度場觀測到了約在一個方向上有13億光年，那麼我們可以假設在各個方向都能看到13億嗎？深場圖顯示的是一些畸形的小星系，和第一批恆星的距離很短。大爆炸本身就在後面。這是否意味著整個宇宙的直徑大約為26億光年？怎麼估計或知道只看到了宇宙中所有結構的一小部分？

首先來看看人類有史以來最深刻的觀點，從那裡向更深的地方看。

哈勃極深場（XDF）的全部UV-Vis-IR複合圖，這是有史以來最偉大的影像，在一個只有1 / 32000萬的天空區域，發現了5500個可識別的星系。圖片版權：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

哈勃極深場是一個非常小的一片天空視圖，為所有可見天空的1/32萬分之一 ，在紫外線，可見光和近紅外光譜中連續曝光23天。它共發現了5500個星系，其中一些來自相對較近的星系，另一些則來自宇宙當時年齡的4％。如果要做數學計算，並把這個小地區的5500個星系外推到整個天空，那麼在可見的宇宙中將會有大約1800億個星系。但是這個數字太小了，只佔了實際存在的星系的10％左右。

從現在看來，我們可以看到遙遠宇宙的「光束」視圖。但由於觀察能力有限，大量星系仍未被發現。圖片版權：NASA / STScI / A. Feild

當我們回望遙遠的距離，也在回顧過去的時間。來自遙遠星系的光線只能以光速行進，而今天的宇宙正好是138億年。當你看到花了1億年的光線到達我們的時候，會看到1億年前的光線。通過其最偉大的觀測，哈勃可以看到宇宙年齡低於10億歲的星系。當看得越來越遠時，發現平均來說，星系是：

1、更小

2、質量較低

3、顏色本質上更藍（由於更年輕的恆星星比例較高）

4、由於內部的星恆星數量較少，本質上發光性較差或較暗淡

與當今銀河系相當的銀河係數量眾多，但類似銀河系的年輕星系本質上比我們今天看到的銀河系更小，更藍，更富含氣體。對於第一個星系來說，這是極端的。圖片版權：NASA and ESA

這很有意義：引力需要時間才能把這些小的早期原型星系拉成大規模的銀河系大小星系。它需要數十億年的時間才能形成大的星系團，形成我們所知道的最龐大的橢圓星系。然而，在那些早期，這些「種子」星系一定存在著很多。

如果想知道有多少，就必須結合兩個世界的最好的：在所知的所有事物的物理基礎上模擬宇宙以及觀測宇宙，在那裡可以看到我們的儀器和測量的一切。

當將這兩者結合在一起時，正如2016年的一項研究所表明的那樣：我們知道在完整的，可觀測的宇宙中大約有兩萬億個星系。它們應該在各個方向上近似一致，大質量星系在很遠的距離處有較多數量的星系，在較近的星系附近有較少數量星系的質量更高。在它們之間會有成群的團簇和細絲（宇宙網），以及它們之間巨大的宇宙空間，但這是由於引力的作用。但平均而言，宇宙各處都是一樣的。

那麼，為什麼當我們看到遙遠的宇宙時，我們只能看到大約9％的星系？特別是，為什麼我們遺漏了這麼多最遙遠的星系？

與中間的星系相比，附近的星系更少，但這是由於星系合併和演化的結合，也無法看到超遙遠的超暗星系本身。圖片版權：NASA / ESA

有幾個原因在起作用，其中有些是顯而易見的，有些則不是。最明顯的是這些星系離得更遠，這意味著它們很難被看見。一個距離50億光年的星系只有1 / 4的亮度，在100億光年，這意味著你需要觀察它4倍的時間才能看到它。

第二個明顯的原因是，這些星系本質上是比較暗淡的，體積更小，星星也更少。即使考慮到年輕的銀河星系擁有更高亮度的比例，一顆擁有1億顆恆星的星系可能只有像銀河這樣擁有4千億顆恆星的星系亮度的0.1％。

只是因為這個遙遠的星系GN-z11位於星系間介質大部分被再電離的區域，哈勃望遠鏡現在可以向我們揭示它。而未來的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將觀測得更深更精確。圖片版權：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

但接下來的事情就不那麼明顯了。在超遙遠的宇宙中超過約6的紅移，就必須必須開始與中性氣體相抗衡，這就阻擋了部分星光。只有在宇宙中只有少量的中性氣體在特定的方向上才能看到星系。當這種中性氣體存在時，來自超遙遠星系的光就會被沖刷掉。

還有宇宙紅移的影響。宇宙本身的結構正在膨脹，這是描述宇宙的大爆炸框架最重要的組成部分之一。這導致發射的光隨著空間的膨脹而伸展，使得更遙遠的星系顯得更紅。最遙遠的星系甚至會有紫外線光從可見光波段移動到遠紅外線。

不僅僅是星系正在遠離我們而導致的紅移，更確切地說我們和星系之間的空間，將光從那個遙遠的點轉移到我們的眼睛上。當然這是基於一個假設，它的有效性，沒有辦法測試。如果這是錯誤的，那麼我們可以得出所有結論。圖片版權：Larry McNish of RASC Calgary Center

哈勃望遠鏡深度場具有探測最大波長為1.6微米的能力，能夠顯示出令人難以置信的遙遠星係數量，但即使在原理上，它也會使最遙遠的星系無法探測到。這就是為什麼詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將如此重要，因為它將能夠達到30微米的超長紅外線波長：是哈勃敏感的「拉伸因子」的近20倍。

由於中性氣體阻擋紅外光的能力較差，正如您可以通過觀察我們自己的銀河系的充氣平面所看到的那樣，這意味著從2019年開始，科學家們將準備開始觀測這些超微弱，超遠距離的星系。

這個四面板視圖以四種不同波長的光線顯示了銀河系的中心區域，其中較長的（亞毫米）波長位於頂部，穿過遠近紅外線（第二和第三），並以可見光視圖結束。塵埃帶和前景恆星使中心在可見光下變得模糊。圖片版權：ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser

最後一部分關於空間的延伸，也是觀察這些超年輕星系如此困難的最後一部分。如果宇宙不是在擴張，那麼一束光線經過100億年才能到達我們的銀河系，將會有100億光年的距離。但是在一個不斷膨脹的宇宙中，由於空間的延伸，今天它更遠了。事實上，當我們注意到各種紅移，並推測我們將（或不會）找到星系的位置時，可以計算出宇宙在光線到達時有多遠和多大。

以下是科學家們的發現：

即使這樣，我們能夠探測到的，小而微弱的也是宇宙中最大和最亮的東西。要想回到大爆炸的那一刻，138億年前，相當於460億光年的距離。當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡服役時，它應該揭示出我們從未見過的宇宙。

詹姆斯·韋伯（James Webb）擁有七倍於哈勃望遠鏡的聚光能力，但能夠看到遠紅外線部分更遠的深空，揭示出這些星系的存在甚至比哈勃所能看到的還要早。圖片版權：Credit: NASA / JWST science team

哈勃太空望遠鏡給我們展示了宇宙的樣子。在不到兩年的時間裡，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將帶領人類走向下一個偉大的飛躍，並告訴我們宇宙是如何成長的。這是一個讓人難以置信活著的時刻。對於任何一個好奇宇宙中的第一個星系是什麼樣子的人，它是如何形成的，宇宙是多麼年輕，當第一次出現的時候實際上是多麼的遙遠，以及這些宇宙蠟燭是多麼的明亮和巨大，我們正處於有這些問題的尖頭。對於過去幾代人來說，人類根本不知道宇宙中的恆星和星系是從哪裡來的。在這10年之際，將會知道這些答案，即使是愛因斯坦也無法想像。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：NASA，ESA，ESO等

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes science

編譯：卿君側

審校：博科園