在人类对浩瀚宇宙的探索历程中,一个引人深思的问题时常被提及:既然以当前科技水平,人类尚无法跨越直径仅为2光年的太阳系,那么,科学家是如何得知可观测宇宙的直径竟达到了惊人的930亿光年?这一疑问不仅激发了公众的好奇心,也促使我们深入探讨宇宙尺寸的计算奥秘。
追溯至1912年,美国天文学家亨丽爱塔·勒维特的开创性工作,为解开这一谜团奠定了基础。她在研究麦哲伦星云时,意外发现造父变星的一个独特规律:其亮度变化周期与光变周期成正比,这一发现如同宇宙中的“标准烛光”,为人类测量遥远星系距离提供了前所未有的工具。造父变星,这类亮度随时间周期性变化的恒星,成为了通过对比表观亮度与实际亮度来估算距离的关键。
时间轴推进至1924年,天文学家埃德温·哈勃利用当时世界上最大的100英寸望远镜,在仙女座星云中成功识别出造父变星,并通过测量其变光周期,计算出仙女座星云距离地球约254万光年。这一发现震惊了整个天文学界,首次证实了银河系之外还存在众多星系。从此,造父变星成为测量星系距离的“金标准”,助力科学家绘制出首张宇宙星系分布图。
五年后的1929年,哈勃再次取得突破性进展,通过分析星系光谱红移现象,提出了著名的哈勃定律。他揭示了一个惊人的事实:星系光谱的红移量与其距离成正比,意味着远离地球的星系,其退行速度也随之加快。这一发现不仅深化了人类对宇宙膨胀的理解,也为后续研究开辟了新路径。
进入20世纪60年代,宇宙微波背景辐射的发现为测量宇宙尺寸提供了另一种视角。1964年,彭齐亚斯和威尔逊意外捕捉到宇宙中均匀分布的微波辐射,其温度约为2.725K,被视为“宇宙大爆炸的余晖”,蕴含了宇宙诞生初期的宝贵信息。随后,普朗克卫星经过九年的精密观测,绘制出宇宙微波背景辐射的最精确图谱,结合哈勃常数的测量数据,科学家最终推算出宇宙的年龄约为138亿年,可观测宇宙的半径为465亿光年,直径因此达到930亿光年。
值得注意的是,宇宙膨胀导致的“宇宙地平线”现象限制了我们的观测范围。那些位于139亿光年之外的宇宙天体,由于远离速度超越光速,其发出的光永远无法抵达地球。尽管科学家已确定了可观测宇宙的尺寸,但宇宙是否存在边界这一终极问题,至今仍悬而未决。
根据宇宙大爆炸理论,宇宙自诞生以来持续膨胀,我们只能观测到光在138亿年内所能传播的距离,即“可观测宇宙”。然而,在这个范围之外,或许隐藏着更为广袤的宇宙空间,甚至可能存在着多个“平行宇宙”。这一切,都等待着未来科技的进步,让我们得以窥探宇宙的更多奥秘。