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最遥远的恒星,距离地球280亿光年,为何光传到地球只用129亿年?

  哈勃太空望远镜自从开始启用后,就给人类带来了许多的惊喜。举个例子,1995年,有个组织决定用哈勃望远镜朝着天空中,最暗的一个天区进行长达10天的曝光,就是下图中黄色边框的这一小块区域。
  当时的天文学家十分愤怒,因为哈勃望远镜作为珍贵的观测资源,天文学家们都在排着队等着使用这个望远镜来完成科研项目,可却要用来拍摄最暗的天区,在他们看来这无疑是在浪费资源,根本不会有什么成果。可是随着拍摄照片的公布,整个天文学界都震惊了。因为就在这么小的一个区域内,哈勃望远镜拍摄到了3000多个星系,下图中每一个小点都是一个和银河系同等级别的星系。
  随后在2003年,哈勃望远镜又进行了一次尝试,这次朝着天炉座的一小片区域进行了长达4个月的观测,结果拍到了10000多个星系。
  哈勃望远镜的这几次尝试,一次次颠覆了天文学家对宇宙的看法。2022年3月30日,《自然》(nature)杂志上刊登了一项利用哈勃望远镜观测的研究成果,这次哈勃望远镜又给科学家带来了新的惊喜。
  这个惊喜就是哈勃望远镜观测到了一颗遥远的恒星,并把它命名为: 埃伦德尔 (Earendel),这个单词"Earendel"是个古英语单词,它的原意是"晨星"或"冉冉升起的光芒"。
  埃伦德尔是迄今为止观测到的距离我们最远的一颗恒星 , 距离地球280亿光年 ,打破了哈勃在2018年创造的观测记录。
  研究团队经过研究发现,这颗恒星的质量可能比我们的太阳大50到500倍,亮度可能是太阳的数百万倍。
  这颗恒星大概是在宇宙大爆炸9亿年后诞生的。而我们要知道的是,根据宇宙学的研究,宇宙大爆炸大概诞生在137.99(  0.21)亿年前,为了方便,我们可以近似看成是138亿年前。
  那么这就意味着,这颗恒星是诞生于129亿年前,而我们观测到它的星光正是在它诞生的时候,也就是说, 这个星光传播了129亿年前, 抵达地球,然后被哈勃望远镜观测到了。
  那这就会带来一个巨大的悖论。我们都知道, 根据爱因斯坦的相对论,光速不变原理可以推导得到,物质、能量和信息传递的极限速度是光速,也就是近似3*10^8m/s 。
  这个恒星的星光只用了129亿年就传到了地球,照理说,129亿年,只够光跑129亿光年的,而这颗恒星现在距离地球是280亿光年,整整多出了151亿光年。而光还不能变得更快,那么多出来的151亿光年到底是咋来的?难道是爱因斯坦的相对论错了吗?
  宇宙大爆炸
  要了解这个问题,我们还得从宇宙大爆炸理论说起。相信很多人第一次听说宇宙大爆炸都会觉得这个理论有点离谱,甚至有点胡扯的意味。可是在近100多年来的发展中,宇宙大爆炸已经成为了主流的科学理论,是天文学分支中宇宙学的一个基石性理论。
  这个理论的起源也和爱因斯坦有关。话说当初爱因斯坦在1915年提出广义相对论时,就得到了一个很奇葩的方程。这个方程意味着宇宙应该是随着时间变化而发生变化的,也就是说,宇宙是动态的,不是静态的。
  但是爱因斯坦认为,宇宙在大尺度上就应该是静态的。于是,他按照自己的意愿往方程里加了一个参数: 宇宙常数 ,只要参数取值合理,那宇宙就会在大尺度上静态。
  不过,后来一些科学家认为,这个做法不靠谱。不仅如此,还有人拿出了证据,巧的是这个人就是天文学家 爱德温·哈勃 ,哈勃望远镜就是以他的名字命名的。
  哈勃一直观测银河系外的星系,他就发现一个奇怪的现象,这些星系绝大多数都在远离我们,而且距离越远,远离的速度就越快。那这能说明什么呢?
  这个事情说明: 宇宙应该是在膨胀的 ,如果只是天体自己在运动,星系应该是有的在远离我们,有的在靠近我们,不可能出现哈勃发现的这种现象。也就是说,哈勃直接从观测的角度证明了宇宙应该是动态的。
  后来,一群以伽莫夫为代表的核物理学家在前人的基础上,做出了宇宙大爆炸模型。他们认为按照哈勃的观测来看,如果逆着时间倒推回去, 宇宙应该是起源于一个"奇点"的大爆炸,随后宇宙的空间开始剧烈的膨胀 。
  这些核物理学家还提出了两大证据,一个是宇宙大爆炸留下的"余温": 宇宙微波背景辐射 ,一个是宇宙的元素质量比例: 氦元素丰度 。后来,这两个关键证据也被科学家们找到。这才使得宇宙大爆炸成为了主流的科学理论。
  后来,宇宙大爆炸理论又经历了多次进化和迭代,成为了宇宙学中标准宇宙模型的基础。根据现在我们对于宇宙大爆炸的了解,我们知道,宇宙在诞生之后的一秒内发生了很多事情,其中有一个事情就是: 空间的剧烈膨胀 。
  由于空间不是物质、信息、能量,它是不受光速限制的,是可以超光速的。而在宇宙早期,膨胀速度也异常的猛烈,比如,根据科学家阿兰古斯等人的研究,宇宙经历过暴胀时期,此时的膨胀是呈指数增长的, 从大爆炸后10^( 36)秒开始,持续到大爆炸后10^( 33)至10^( 32)秒之间,宇宙经历了100次加倍,变大到了原本的10^30倍。
  不仅如此,在过去的138亿年里,宇宙是一直都在发生膨胀的,膨胀到现在,依然还在膨胀。而且根据1998年两个科研团队的研究来看,宇宙大概40亿年前,从原本的减速膨胀,转变成了加速膨胀,这两个科研团队的主要成员因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
  需要考虑宇宙膨胀
  所以,这颗恒星的星光虽然是经历了129亿年才抵达地球,但如果我们考虑到宇宙膨胀效应,那么结果就完全不同了。根据研究团队的研究发现,这颗恒星是在宇宙年龄的6%时诞生的,当时它距离银河系的距离是40亿光年。
  而此时它产生的一部分星光就朝着银河系传过来,但由于宇宙一直在膨胀,所以虽然当时的距离只有40亿光年,但这光整整跑了129亿年才抵达地球,而此时由于空间膨胀也在带着这颗恒星退行,所以在过去的129亿年里,它也在逐步离我们远去,根据测算,它现在的位置已经退行到了距离我们280亿光年的位置。
  不仅如此,这颗恒星还会继续退行,离我们越来越远。中国先秦诸子中有一位名为:尸子。他就曾经在他的著作《尸子》中有过一段对于宇宙的描述:
  上下四方为宇,古往今来为宙。
  意思是"宇"指的是空间,"宙"指的是时间,宇宙就是空间和时间的集合,这已经比较接近于现代科学对于宇宙的定义了。
  这也给我们一个启示,在了解宇宙的一些现象时, 空间和时间两个维度都是重要的参数,不同的时间对应着不同的空间,反之亦然。
  根据现在的科学理论,最早的一批恒星应该是诞生于宇宙大爆炸发生后2亿年前后,也就是说距今136亿年前后。
  所以,虽然这颗恒星已经是我们观测到距离我们最远的恒星,但理论上还存在着很多距离更远的恒星,只是由于技术等原因,我们还没有观测到它们的存在。
  哈勃望远镜已经服役了30多年,而它的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜已经成功发射,抵达预定地点,并拍摄了一些照片。或许,在未来,詹姆斯·韦伯太空望远镜可以观测到那些距离我们更遥远的恒星。
  #宇宙# #地球#

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