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最遙遠的恒星,距離地球280億光年,為何光傳到地球隻用129億年?

哈勃太空望遠鏡自從啟用後,就給人類帶來了許多的驚喜。舉個例子,1995年,有個組織決定用哈勃望遠鏡朝着天空中,最暗的一個天區進行長達10天的曝光,就是下圖中黃色邊框的這一小塊區域。

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當時的天文學家十分憤怒,因為哈勃望遠鏡作為珍貴的觀測資源,天文學家們都在排着隊等着使用這個望遠鏡來完成科研項目,可卻要用來拍攝最暗的天區,在他們看來這無疑是在浪費資源,根本不會有什麼成果。可是随着拍攝照片的公布,整個天文學界都震驚了。因為就在這麼小的一個區域内,哈勃望遠鏡拍攝到了3000多個星系,下圖中每一個小點都是一個和銀河系同等級别的星系。

随後在2003年,哈勃望遠鏡又進行了一次嘗試,這次朝着天爐座的一小片區域進行了長達4個月的觀測,結果拍到了10000多個星系。

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哈勃望遠鏡的這幾次嘗試,一次次颠覆了天文學家對宇宙的看法。2022年3月30日,《自然》(nature)雜志上刊登了一項利用哈勃望遠鏡觀測的研究成果,這次哈勃望遠鏡又給科學家帶來了新的驚喜。

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這個驚喜就是哈勃望遠鏡觀測到了一顆遙遠的恒星,并把它命名為:埃倫德爾(Earendel),這個單詞“Earendel”是個古英語單詞,它的原意是“晨星”或“冉冉升起的光芒”。

埃倫德爾是迄今為止觀測到的距離我們最遠的一顆恒星,距離地球280億光年,打破了哈勃在2018年創造的觀測記錄。

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研究團隊經過研究發現,這顆恒星的品質可能比我們的太陽大50到500倍,亮度可能是太陽的數百萬倍。

這顆恒星大概是在宇宙大爆炸9億年後誕生的。而我們要知道的是,根據宇宙學的研究,宇宙大爆炸大概誕生在137.99(± 0.21)億年前,為了友善,我們可以近似看成是138億年前。

那麼這就意味着,這顆恒星是誕生于129億年前,而我們觀測到它的星光正是在它誕生的時候,也就是說,這個星光傳播了129億年前,抵達地球,然後被哈勃望遠鏡觀測到了。

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那這就會帶來一個巨大的悖論。我們都知道,根據愛因斯坦的相對論,光速不變原理可以推導得到,物質、能量和資訊傳遞的極限速度是光速,也就是近似3*10^8m/s。

這個恒星的星光隻用了129億年就傳到了地球,照理說,129億年,隻夠光跑129億光年的,而這顆恒星現在距離地球是280億光年,整整多出了151億光年。而光還不能變得更快,那麼多出來的151億光年到底是咋來的?難道是愛因斯坦的相對論錯了嗎?

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宇宙大爆炸

要了解這個問題,我們還得從宇宙大爆炸理論說起。相信很多人第一次聽說宇宙大爆炸都會覺得這個理論有點離譜,甚至有點胡扯的意味。可是在近100多年來的發展中,宇宙大爆炸已經成為了主流的科學理論,是天文學分支中宇宙學的一個基石性理論。

這個理論的起源也和愛因斯坦有關。話說當初愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時,就得到了一個很奇葩的方程。這個方程意味着宇宙應該是随着時間變化而發生變化的,也就是說,宇宙是動态的,不是靜态的。

但是愛因斯坦認為,宇宙在大尺度上就應該是靜态的。于是,他按照自己的意願往方程裡加了一個參數:宇宙常數,隻要參數取值合理,那宇宙就會在大尺度上靜态。

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不過,後來一些科學家認為,這個做法不靠譜。不僅如此,還有人拿出了證據,巧的是這個人就是天文學家愛德溫·哈勃,哈勃望遠鏡就是以他的名字命名的。

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哈勃一直覺測銀河系外的星系,他就發現一個奇怪的現象,這些星系絕大多數都在遠離我們,而且距離越遠,遠離的速度就越快。那這能說明什麼呢?

這件事情說明:宇宙應該是在膨脹的,如果隻是天體自己在運動,星系應該是有的在遠離我們,有的在靠近我們,不可能出現哈勃發現的這種現象。也就是說,哈勃直接從觀測的角度證明了宇宙應該是動态的。

後來,一群以伽莫夫為代表的核實體學家在前人的基礎上,做出了宇宙大爆炸模型。他們認為按照哈勃的觀測來看,如果逆着時間倒推回去,宇宙應該是起源于一個“奇點”的大爆炸,随後宇宙的空間開始劇烈地膨脹。

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這些核實體學家還提出了兩大證據,一個是宇宙大爆炸留下的“餘溫”:宇宙微波背景輻射,一個是宇宙的元素品質比例:氦元素豐度。後來,這兩個關鍵證據也被科學家們找到。這才使得宇宙大爆炸成為了主流的科學理論。

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後來,宇宙大爆炸理論又經曆了多次進化和疊代,成為了宇宙學中标準宇宙模型的基礎。根據現在我們對于宇宙大爆炸的了解,我們知道,宇宙在誕生之後的一秒内發生了很多事情,其中有一個事情就是:空間的劇烈膨脹。

由于空間不是物質、資訊、能量,它是不受光速限制的,是可以超光速的。而在宇宙早期,膨脹速度也異常的猛烈,比如,根據科學家阿蘭古斯等人的研究,宇宙經曆過暴脹時期,此時的膨脹是呈指數增長的, 從大爆炸後10^( 36)秒開始,持續到大爆炸後10^( 33)至10^( 32)秒之間,宇宙經曆了100次加倍,變大到了原本的10^30倍。

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不僅如此,在過去的138億年裡,宇宙是一直都在發生膨脹的,膨脹到現在,依然還在膨脹。而且根據1998年兩個科研團隊的研究來看,宇宙大概40億年前,從原本的減速膨脹,轉變成了加速膨脹,這兩個科研團隊的主要成員是以獲得了2011年的諾貝爾實體學獎。

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需要考慮宇宙膨脹

是以,這顆恒星的星光雖然是經曆了129億年才抵達地球,但如果我們考慮到宇宙膨脹效應,那麼結果就完全不同了。根據研究團隊的研究發現,這顆恒星是在宇宙年齡的6%時誕生的,當時它距離銀河系的距離是40億光年。

而此時它産生的一部分星光就朝着銀河系傳過來,但由于宇宙一直在膨脹,是以雖然當時的距離隻有40億光年,但這光整整跑了129億年才抵達地球,而此時由于空間膨脹也在帶着這顆恒星退行,是以在過去的129億年裡,它也在逐漸離我們遠去,根據測算,它現在的位置已經退行到了距離我們280億光年的位置。

最遙遠的恒星,距離地球280億光年,為何光傳到地球隻用129億年?

不僅如此,這顆恒星還會繼續退行,離我們越來越遠。中國先秦諸子中有一位名為:屍子。他就曾經在他的著作《屍子》中有過一段對于宇宙的描述:

上下四方為宇,古往今來為宙。

意思是“宇”指的是空間,“宙”指的是時間,宇宙就是空間和時間的集合,這已經比較接近于現代科學對于宇宙的定義了。

這也給我們一個啟示,在了解宇宙的一些現象時,空間和時間兩個次元都是重要的參數,不同的時間對應着不同的空間,反之亦然。

根據現在的科學理論,最早的一批恒星應該是誕生于宇宙大爆炸發生後2億年前後,也就是說距今136億年前後。

是以,雖然這顆恒星已經是我們觀測到距離我們最遠的恒星,但理論上還存在着很多距離更遠的恒星,隻是由于技術等原因,我們還沒有觀測到它們的存在。

最遙遠的恒星,距離地球280億光年,為何光傳到地球隻用129億年?

哈勃望遠鏡已經服役了30多年,而它的繼任者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已經成功發射,抵達預定地點,并拍攝了一些照片。或許,在未來,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以觀測到那些距離我們更遙遠的恒星。

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