多少光年外的天體天文事件就是發生在多少年前的嗎?


如果距離比較近,可以近似認為多少光年外的天文事件就是發生在多少年前。但如果距離較遠,則需要指明這個距離究竟是代表什麼。這是因為宇宙空間正在膨脹,光在宇宙中的傳播距離(光行距離)不等於天體現在與我們的距離(固有距離)。空間的膨脹均勻地發生在宇宙中的所有地方,如果天體距離地球越遠,這兩者之間的空間膨脹就會越多,從而使得這個天體以越快的速度遠離地球。那麼,宇宙空間的膨脹速率有多快呢?

根據LIGO和Virgo引力波探測器的最新測量數據,如果天體與地球的距離每增加326萬光年,它的退行速度隨之增加70千米/秒。對於距離地球1.3億光年的引力波信號源,由於空間膨脹,它遠離地球而去的速度為2791千米/秒,這個速度相對於光速(大約30萬千米/秒)很慢,所以我們可以忽略空間膨脹對距離造成的影響。我們可以近似認為信號源與地球的距離等於引力波信號在宇宙中的傳播距離,所以說這起事件發生在1.3億年前。

然而,如果天體距離地球100億光年,它的退行速度可達21.5萬千米/秒,相當於光速的72%,那麼,空間膨脹帶來的影響不可忽略。以GN-z11星係為例,這個已知宇宙中最早的星系所發出的光在到達地球之前,已經在宇宙中傳播了134億光年的距離,所以我們看到的光就是GN-z11在134億年前發出的。但由於宇宙空間在過去的134億年里一直在膨脹,這個星系目前已經距離地球320億光年。可以看到,GN-z11的光行距離和固有距離相差很大。因此,當談及遙遠星系的距離時,我們需要明確究竟是光行距離還是固有距離,只有光行距離才包含著時間的信息。


多少光年外的天體天文事件就是發生在多少年前的么?

答案是:是也不是。

宇宙是在超光速膨脹么?

答案也是:是也不是。

天文和物理當中很多問題是很複雜的,需要在一些限定條件下才會有簡單的解,如果非要籠統地問「xx是不是xx」,並且要求一個簡單的是或者不是的答案的話,那麼答案很可能是「是也不是」。就好比,如果有人籠統地問「長輩是比晚輩年紀大么?」,我們知道很多情況下長輩是比晚輩年紀大的,但是也有不少情況下,由於兄弟姐妹、夫妻間的年齡差異、結婚生子的早晚等因素造成了有時候婆婆和媳婦一起坐月子,有時候兒子比繼母的年齡大,有時候某人雖然一把年紀了,還得管三歲小孩叫叔叔。

我們的宇宙顯然比一個大家族排輩分要複雜得多,比如宇宙膨脹這個事,幾十年來的很多觀測事實表明膨脹是確實存在的,不過這個膨脹不能簡單的說是不是超光速的。

宇宙膨脹的速度取決於觀測者和被觀測者之間的距離,兩者離得越遠,膨脹速度越快。對於離得比較近的天體,我們和它之間的膨脹速度與天體自身的運動速度相比來說並不大。在地球、太陽系、銀河系甚至本星系群的尺度上,引力還是佔主導的,宇宙膨脹的效果並不明顯,這時候說「多少光年外的天體天文事件就是發生在多少年前」是沒有什麼太大問題的,也就是說1.3億光年外的事件可以說是發生在1.3億年前的,兩者的數值可能會有些差別,但是這個差別絕對沒有1.3億和1億那麼大。

宇宙模型的計算表明,只有到了比星系團還大的尺度,比如幾十億光年的尺度,宇宙膨脹的速度才會變得十分可觀,比如130億年前發出的光到達地球的時候,光源離我們的距離已經有290億光年遠了,這時候說「多少光年外的天體天文事件就是發生在多少年前」顯然就不合適了。

如果繼續往外推,到了距離我們四百多億光年遠的地方,那裡發出的光由於宇宙膨脹的影響,沒有足夠的時間到達地球,那以外的地方就在「可觀測宇宙」之外了。

宇宙浩瀚無垠,個人水平有限。如有疏漏,請多指教。


是的 其實光速是有限的,我們看遠方的天體,都無法看到他們現在此時此刻的狀態,只能夠觀察他們的過去。

以離我們最近的恆星,也就是太陽為例,太陽發出的光要經過八分鐘左右才能夠到達地球,因此我們看到的也不是此刻的太陽,而是八分鐘以前的太陽。

這也是很多科幻電影或科幻小說中描述的:一艘遠離地球的宇宙飛船與地球通信時,要經歷很長的延時,因此無法得到地球的有效指揮,只能夠靠自己做出判斷,決定下一步該如何去做。

一個更有趣事物問題是,這些天體與地球的距離是如何測量的呢?

對於近處的天體,如月球,最簡單的方法就是發射一束激光,測量其返回地球的時間;對於太陽系內部的行星,通過測量其運行的周期,就可以計算得到它的軌道半徑,從而計算出與地球的距離;

地球到太陽的距離可以通過視差法獲得。那麼什麼是視差法呢?我們可以伸直手臂,翹起大拇指,先閉上左眼,用右眼看大拇指在目標附近的位置;再閉上右眼,用左眼看大拇指目標附近的位置。如果這兩個位置的距離我們事先知道,那麼就可以用相似三角形的辦法得到我們與目標之間的位置。

對於其他的恆星,近一些的也都可以用視差法確定。更遠的就要利用造父變星測距法等更複雜的方案了。


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