哈勃体积

哈勃体积是一个天文学名词，以下解释全部来自于维基百科英文版。在文中有大量的天文专有名词和多种宇宙学模型，不一一赘述和解答。在大爆炸宇宙学中，可观测宇宙包括了人类今天可以在地球上观测的所有的星系和其他的物质。这是因为在宇宙膨胀开始了以后，光线和其他的信号必须经历漫长的时间才能被我们接受。假设宇宙是各项同性（各个方向上相同），那么宇宙大体上在各个方向上其边界都相同——意味着可观测宇宙是一个以观测者为球心的球体。不考虑宇宙的实际形状，宇宙的每一点都有一个自己的可观测宇宙，它可能和地球上的可观测宇宙重合也可能不重合。“可观测”这个名词的意思意味着它不是依赖于现代技术的探测能力，它仅仅代表着理论上光线或是其他信号从物体到观测者的可能。事实上，我们仅仅可以观测到（宇宙大爆炸的）再复合纪元时刻的光子解耦（光子逃逸），在那个时刻粒子第一次可以发射不被其他粒子再吸收的光子。在这之前，宇宙是一个对光子不透明的等离子体。在这一时刻粒子之间刚好有着足够的距离，所以光子能够从“最后散射面”被发射出来并且能被今天的我们所接受。并且形成了我们可以接收到的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation）。但是，如果在今后我们可以观测到“中子背景”或者更深的“引力波”，那么我们可能得到比现在的可观测宇宙更远的距离，甚至可能包括宇宙大爆炸时刻的信息。目CMBR共动距离代表了宇宙的半径，计算得出为140亿秒差距（大约457亿光年），而可观测宇宙的边界计算得出的结果是143亿秒差距（大约466亿光年），大了将近2%。宇宙的年龄计算结果为137.5亿年，但是由于宇宙膨胀，我们观测一些最开始十分接近但是却被认为远比137.5亿光年遥远的天体，（依据宇宙的固有距离，在同时刻和共动距离等效）。可观测宇宙的直径大约为280亿秒差距，大约930亿光年，可观测宇宙的半径大约有460到470亿光年之遥。通常情况下，人们常常把137亿光年当做宇宙的大小，人们想当然的认为宇宙中既然没有比光更快的物质，那么把137亿光年当做宇宙大小是合情合理的。但是，这一点未能考虑到宇宙并不是平滑，静止，而且符合闵可夫斯基时空的狭义相对论的。事实上宇宙时空由于膨胀而变得弯曲，正如哈勃定律揭示的那样，光的速度乘以宇宙时间间隔事实上并没有真正的物理意义。

在宇宙大爆炸之后，一些宇宙的部分可能由于距离地球太远，导致了其发出光线到现在为止也未能到达地球，所以这部分的宇宙可能现在也在可观测宇宙之外。在未来，远处的星系发出的光线将会拥有更长的时间来穿越时空，所以现在我们不能观测到的一部分宇宙将会在未来被观测到。然而，由于哈勃定律，一些离我们足够远的宇宙区域将会以超越光速的速度远离我们（狭义相对论阻止了相邻的物体在同一局部区域可以以相对另一个物体超越光速运动，但是对于正在膨胀中的时空中遥远的物体却没有如此限制），并且暗能量导致了宇宙在加速膨胀，假设暗能量保持不变，那么宇宙膨胀的速度持续增加，那么就会存在一个“未来可见极限”，超过这个极限的物体将永远不能被我们所能观测到，因为这个物体发出的光线在这个极限之外。（一个微妙的情形在于，由于哈勃参数不断地随时间减少，那么就会存在一种场景，一个正好比光快一点远离我们的星系可能恰好能把光线传递到我们这儿）。“未来可见极限”计算给出的是共动距离为190亿秒差距（约合620亿光年），意味着我们可以在无尽的未来中看到的星系数目最多只能比现在看到的星系多出2.36倍。（除了一些由于红移而不可以被观测到的，如下一段所述）。尽管原则上更多的星系将会在未来被观测到，实际上更多的星系将会由于不间断的膨胀而红移太多以至于它们将会看上去在视野里消失，并且不能被观测到。一个微妙之处在于如果我们能够认定一个可观测宇宙中处于给定共动距离的星系，必须要求在它的过去能够发出我们可以接收到的光线。（比如一个在宇宙大爆炸之后5亿年形成的早期星系），但是由于宇宙膨胀，在该星系的可能接下来的历史时期它所发出的信号就不能够在无限的未来到达我们这儿并被接收。尽管它仍然在同样的共动距离，并且比可观测宇宙的共动距离要短。这种现象可以被用来定义一种距离随时间变化的宇宙事件视界的类型，比如，现在的这种视界仅仅有160亿光年，意味着一个在160亿光年内发生的事件可以在未来被我们接受，但是超过160亿光年以外的事件如果现在发生就永远不会被我们知道了。不论是通俗和专业的宇宙学领域研究文献经常用“宇宙”来代替“可观测宇宙”，这有着一个根本上的充足理由：我们可能永远不会通过直接实验方式得知与我们不能联络的宇宙部分的信息。尽管相当多的可行的理论需要一个比可观测宇宙大很多倍的可观测宇宙。没有证据存在解释了可观测宇宙的边界就是整个宇宙的事实边界，同样也没有一种主流的宇宙学模型首先假设宇宙拥有可被认可的物理形式的边界，尽管一些模型猜测宇宙是有限但是无界的，正如三维空间里的一个二维球面，它有有限的面积但却是无边的。看上去很可能可观测宇宙内的星系仅仅代表了宇宙中星系的极小一部分。根据宇宙膨胀理论和他的创立者Alan Guth, 如果假设膨胀发生在宇宙诞生后的10 秒，那么根据这个看上去合理的假设，这时期的宇宙大小和光速乘以其年龄一样大。这就意味着整个宇宙的大小可能是可观测宇宙的10倍。如果宇宙是有限但是无界的，这就意味着宇宙小于可观测宇宙的大小。在这种情况下，我们看上去很远的星系可能是临近星系的假象，它们是由于光线绕宇宙一周所产生的幻象。这个假说十分难以检测因为星系在不同的年龄阶段是不相同的，甚至完全不一样。一个2004年的文献认为宇宙的大小仅仅只有780亿光年，这个可能是最小的宇宙尺度，甚至低于可观测宇宙的大小。这个结果得益于对于WMAP（一个人造天文卫星）的数据处理结果，这个方面的研究在被激烈的争论着。

通常人们认为宇宙的直径是290亿秒差距，约合930亿光年，假设宇宙是平滑的，大约是4.1×10立方光年那么大。在宇宙学时间中，这些数据是现在的距离，不是光线发出时刻的距离。比如，宇宙微波背景辐射所发出的去耦光子在大爆炸之后的38万年后发出，大约发生在137亿年前，这些辐射是被一些后来绝大多数形成了星系的物质所发出，并且这些星系现在已经离我们460亿光年之遥。为了估计光线在它们发射时刻到我们这里的距离。（以下详细推导简略），通过红移和宇宙学公式，尽管它们现在离我们有460亿光年，但是当时它们离我们仅仅只有4200万光年之远。（附加内容： 之所以天文学家会得出宇宙的半径是470亿光年，这是由于时空膨胀的结果，宇宙在不断膨胀，并且这一点发生在宇宙的每一个角落，如同一个不断膨胀的气球表面，任意两个点之间的距离是不断增加的，所以物质之间的距离在不断增加，而且在不同时间内，变化的速度并不相同，这是由于随着距离增加，互相远离的二者，远离速度反而越来越快。尽管光线传播到我们这里需要137亿年，但是同时发出光线的光源却在与我们相反的位置走了更远。如果想要计算此时的光源与我们的距离，需要一些天文学公式和积分计算，一个简单的近似，对于遥远的天体，可以简单的认为距离D=3ct，这样就能大致上得到D=137亿年*3*c约等于500亿光年的结果。）