- 星空探秘
- 李昕
- 5字
- 2020-09-27 14:39:17
宇宙的命運(yùn)
開(kāi)放、平坦還是閉合
宇宙中含有多少質(zhì)量的問(wèn)題與宇宙的最終命運(yùn)有著直接的關(guān)聯(lián)。宇宙正在膨脹的事實(shí)已經(jīng)被知道很久了:但它是否將會(huì)停止膨脹,如果不是的話,是否會(huì)一直加速下去?這些問(wèn)題的答案取決于宇宙中包含多大質(zhì)量和能量,也就是它總共有多大的引力。從最大的尺度上來(lái)說(shuō),宇宙的曲率由它內(nèi)部物質(zhì)的平均密度決定——這也就是一定體積空間中的平均質(zhì)量。終止宇宙膨脹所需的平均密度(被稱(chēng)為臨界密度)僅為每立方米幾個(gè)氫原子。宇宙平均密度與臨界密度的比值為Ω,Ω小于1的宇宙將永遠(yuǎn)存在并且膨脹下去,被稱(chēng)為“開(kāi)放宇宙”,它的時(shí)空連續(xù)體有著天文學(xué)家稱(chēng)為的負(fù)曲率;膨脹能夠在引力的作用下終止的宇宙為“閉合宇宙”,它的時(shí)空連續(xù)體有著正曲率;第三種存在可能的被稱(chēng)為“平坦宇宙”,這發(fā)生在物質(zhì)恰好足以終止膨脹,但只能在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間以后達(dá)到這一狀態(tài)。目前的估計(jì)指出宇宙的平均密度遠(yuǎn)小于臨界密度,但也存在著大量的暗能量。這使得宇宙的膨脹加速,由此宇宙將永遠(yuǎn)存在。

→在平坦宇宙中,平行線將永遠(yuǎn)平行,物質(zhì),比如宇宙中的星系的平均分布將呈現(xiàn)在我們面前,就如它的本來(lái)面目。這一假設(shè)狀態(tài)通過(guò)愛(ài)因斯坦的圖像得到了證明:在平坦的幾何結(jié)構(gòu)下,不發(fā)生任何扭曲。這一幾何狀態(tài)被直到現(xiàn)在為止對(duì)于深空的研究結(jié)果所證實(shí)。現(xiàn)在,天文學(xué)家相信:宇宙的膨脹并不再減速,而是在加速中。

←在開(kāi)放宇宙的情形下,空間有著雙曲面的形狀,像馬鞍一樣。在這樣的幾何結(jié)構(gòu)下,平行線最終背離。如果這種形狀下圖像被投影到平坦表面上,我們能夠看到與球面上相反的扭曲:圖像的中心被拉伸,外圍被壓縮。這意味著遙遠(yuǎn)星系將看起來(lái)比鄰近星系更致密。

↓盡管天文學(xué)家有著計(jì)算恒星乃至星系中物質(zhì)的量的可靠方法,但要計(jì)算整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)的重量并不那么容易。天文學(xué)家轉(zhuǎn)而關(guān)注于我們看到的遙遠(yuǎn)星系在宇宙上的曲率效應(yīng)。如果空間在引力下是正曲率的,我們認(rèn)為平行線將會(huì)最終相交,因此我們看到遙遠(yuǎn)的星系的密度將下降。事實(shí)上對(duì)于深空的研究(如這張照片所示)說(shuō)明星系的分布或多或少是調(diào)和的,這表明空間有著平均的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)非常遙遠(yuǎn)星系密度的研究同樣支持了這一結(jié)論:如果宇宙是閉合的,我們可以認(rèn)為遙遠(yuǎn)星系的密度下降。

←閉合宇宙的幾何形狀如這里的半球和變形的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的圖片所示(他本人并不相信宇宙是處于膨脹中的)。在球面上,平行線相交。如果愛(ài)因斯坦的標(biāo)準(zhǔn)圖像被投影到球面上,再重新繪制到平面(就如我們?cè)谇蛎嫔峡吹降哪菢樱┥?,臉部的四周將被拉伸,而中心被壓縮。這支持了關(guān)于閉合宇宙中遙遠(yuǎn)星系將比鄰近星系看起來(lái)密度更低的見(jiàn)解。