天文学家发现已知最老的星系

bulaohu

oed 发表于 2015-5-9 15:15
我觉得超过3维的空间很难理解，是不是因为有些东西人类还无法认知又无法探测，多维空间的说法只是企图去 ...

宇宙膨胀速度超过光速是因为在宇宙之外的绝对空虚（不是真空，而是连时空的维度都没有）处任何物理定律都不适用，所以发生超过光速的事件也是可能的。

oed

bulaohu 发表于 2015-5-9 22:00
光速不会因为参照物的速度而改变，就是说宇宙边缘的星系在以超光速扩展的时候向地球方向发射的光线，在地 ...

不是这样的。

光线会因为相对远离的运动产生红移，如果接近光速，光的频率就差不多降低为0，仪器检测不到了，如果速度=光速，那频率=0，这在我的理解就是光停止了，如果速度>光速，我想不出来是对应什么情形

oed

bulaohu 发表于 2015-5-9 22:02
宇宙膨胀速度超过光速是因为在宇宙之外的绝对空虚（不是真空，而是连时空的维度都没有）处任何物理定律都 ...

宇宙之外是空虚没错，问题是宇宙内部不空虚，膨胀造成宇宙内部物体之间的相对运动超过光速了。而内部物体之间是有引力的

bulaohu

oed 发表于 2015-5-9 22:14
不是这样的。

光线会因为相对运动产生红移，如果接近光速，光的频率就差不多降低为0，仪器检测不到了， ...

这种红移跟距离有关，跟移动速度无关。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%93%88%E6%9F%8F%E5%AE%9A%E5%BE%8B

bulaohu

oed 发表于 2015-5-9 22:18
宇宙之外是空虚没错，问题是宇宙内部不空虚，膨胀造成宇宙内部物体之间的相对运动超过光速了。而内部物体 ...

这个就远超我能理解的范围了，当所有物理定律在最边缘处有效到失效，到底是个过渡的过程，还是突变的过程，好像现在也没有什么共识。

乘物以游心

“W.M. Keck天文台研究人员此后利用口径10公尺的天文望远镜进一步观测，确定该星系的红移。”

红移是啥意思啊？ 原文好像没有啊？

蚝

乘物以游心 发表于 2015-5-9 22:47
“W.M. Keck天文台研究人员此后利用口径10公尺的天文望远镜进一步观测，确定该星系的红移。”

红移是啥意 ...

再往下看，我问过了，红版已经回答

oed

bulaohu 发表于 2015-5-9 22:39
这种红移跟距离有关，跟移动速度无关。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%93%88%E6%9F%8F%E5%AE%9A%E5% ...

第一句说“在物理宇宙学里，哈伯定律（Hubble's law）表明，来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。”

但是下面还有一段话： “因发现远离速度与距离呈线性关系，而产生哈伯定律”

所以说，本质上是因为速度造成红移---就是多普勒频移，而宇宙里距离和速度成正比，所以有了哈伯定律。

oed

bulaohu 发表于 2015-5-9 22:42
这个就远超我能理解的范围了，当所有物理定律在最边缘处有效到失效，到底是个过渡的过程，还是突变的过程 ...

这个星系也不见得是处于宇宙的边缘的，但是应该是星系中离宇宙边缘最近的了，至少在目前观测到的星系里是离宇宙边缘最近的。

我觉得宇宙边缘应该没有机会形成星系

maodoubao

oed 发表于 2015-5-9 07:43
我的理解是，这个星系的寿命是131亿年，宇宙年龄138亿年，我们现在观测到的是它诞生后某个时期的样子，比 ...

感谢解答。俺稍微明白点儿了。
简单来说，我们所看到的这个星系发出来的光不是300亿年前发出来的，而是一个较短时间前（例如60亿年）发出来的，即60亿年前那个星系离我们只有60亿光年。由于宇宙爆炸，那个星系在这60亿年间不断远离地球，现在已经到了300亿光年的距离了。这个300亿光年是推算出来的数值。

oed

maodoubao 发表于 2015-5-10 02:52
感谢解答。俺稍微明白点儿了。
简单来说，我们所看到的这个星系发出来的光不是300亿年前发出来的，而是一 ...

恩，但是有一个你说的应该不对。你假设这光线是60亿年发射出来的，但是不等于说这个星系当时距离地球（或者说地球即将出现的位置，因为地球那时还没有形成）是60亿光年。这个距离当时可能是40，60，70，甚至是90，100亿光年。

画个图解释下比较明白

60亿年前：                  <-G>--------E->                       地球不存在，GE之间距离未知
45亿年前：             <--G------->---------E-->                地球诞生
现在：           <----G---------------------------->E---->      接收到光线，GE之间距离估计为300亿光年

G代表星系
E代表地球，灰色的E代表地球当时还没有形成，地球大约在45亿年前形成
G左边和E右边的箭头代表膨胀造成G 和 E之间相互远离的运动，箭头越长代表速度越快
G和E之间的箭头代表G发射出来的光线，箭头颜色从蓝色变绿色变红色，代表因为膨胀速度越来越快，造成光线越来越红移变成红色光。如果速度足够快，这光线甚至会变成红外线或者微波，如果速度快到接近光速，就变成甚低频无线电波了。宇宙微波背景辐射就是光线红移的太厉害变成微波了。

oed

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宇宙的半径

昨天我看到2006年3月刚开始写博客时的帖子，讲到了宇宙的体积。宇宙究竟是有限大还是无限大的？希望这篇文章能够回答这个问题。

首先，宇宙的年龄是有限的。宇宙开始于137亿年前的一次大爆炸。从那时起，宇宙开始膨涨，直到今日。既然时间是有限的，膨胀的速度也是可以计算的，现今的体积一定是有限的。从这个角度讲，宇宙不可能是无穷大。注意，在大爆炸的最初经历了一场称作“暴涨”的阶段，当时的膨胀速度远远大于光速，所以宇宙现今的体积很可能大于（137亿*光速=137亿光年）。那么，是否意味着，如果我们有一台超清晰的望远镜，我们就能看到宇宙的边缘呢？其实不然！因为如果考虑相对论，则可观测宇宙却是无限的。

第二，现在要讲到粒子视界的概念。粒子视界，哈勃半径和可观测宇宙，这三个概念经常混淆。解释粒子视界这一概念需要一点点相对论，要知道，如果一个物体以光速远离我们，我们将永远看不到它，因为它发出的光需要无穷长的时间才能被我们看到。或者说：根据相对论，我们从地球上看到的距离比真实的距离要大很多，这个过程叫做“红移”。我们从地球附近看到的无穷远的地方，进入我们视线的刚好是宇宙膨胀速度降低到光速的时候粒子发出的光。在宇宙学里，人们把消除了红移影响后的坐标系称作“comoving coordinate" （不严格的说，这是不依赖于观察者的实际距离）. 而身在宇宙中看到的存在红移的坐标系叫做“observing coordinate" (观察者距离）。在comoving coordinate里，宇宙的体积是有限的，但是对于观察者坐标系，宇宙是无限大的，无限远处相当于comoving coordinate里的(137亿-deltaT)光年。其中deltaT是宇宙从膨胀开始到速度下降到光速的时间，大概是10^-12秒。也就是说，大爆炸开始的10^-12秒内形成的物质已经运行到了在观察者坐标系里比无穷远还要远的地方，以至于我们永远无法观察到它们。其实，一旦运行速度超过光速，连时空的概念都会出现问题。

第三，哈勃半径，也叫做可观测宇宙。从刚才的分析中，我们知道，以光速远离我们的物质永远不会被观察者看到，但是那些速度刚刚小于光速的物质，需要无穷长的时间才能到达我们，而宇宙的年龄只有137亿年，就是说，那些膨胀速度稍稍小于光速的物质发出的光还没来得及到达地球。所以，实际上的“可观测宇宙”比粒子视界还要稍小一点，这个距离叫做“哈勃半径”，也叫可观测宇宙（obvervable universe）。

第四，可视宇宙（visable universe）。如果我们拥有一台超豪华望远镜，我们能否看到整个“可观测宇宙呢”？不行！其实我们我们能够看到的最远距离大约是460亿光年（观察者坐标系里，comoving坐标系里是（137亿-t）光年，其中t大约是30万年。）。为了解释可视宇宙，我们需要稍微了解宇宙大爆炸。大爆炸的初期有一段膨胀速度飞快的阶段叫做暴涨，之后随着温度的降低，逐渐形成了轻子，夸克，直到大爆炸起点30万年后，逐渐形成了氢和氦。这一阶段叫做“recombination”。电子被原子核捕获，光子才变得自由运行。宇宙变得透明了。也就是说，在recombinatio n以前，光是束缚在其他粒子中的，所以，我们看不到recombination以前的光。宇宙从不透明到透明的临界叫做“最后散射面”。这是我们用光学方法能够看到的最遥远的部分，大约是460亿光年。原则上说，大于最后散射面的世界我们可以通过“引力波”来观察。但是这项技术离现实还很远，因为连引力波存在的直接证据还没有找到，更不要说引力波背景辐射了。我在过去的文章中曾经详细的介绍过引力波，这里就不重复了。

最后，我认为有必要回答一个科普问题。有的人问，既然可视宇宙是460亿光年，而在大爆炸后30万年时的宇宙不会太大，宇宙的实际大小应该是两者的和，所以真实的宇宙大小应该比460亿光年大不了多少。其实，这种算法是不对的，因为没有考虑宇宙膨胀！现在460亿光年的地方在大爆炸后30万年的时候距离地球（相当于地球的位置）只有大约0.36亿光年。也就是说，当时的真实宇宙哪怕比可视宇宙大一点儿，现在就大出了很多。注意：不同时间的体积不能简单相加。

这里在补充两点：

第一，宇宙膨胀速度是否恒定。或者问，是否可能在大爆炸初期以超光速离开我们的天体，膨胀速度越来越慢，最终进入可观测宇宙，甚至可视宇宙范围内呢？原则上这是可能的，但事实不可能，原因在于暗能量的存在，宇宙其实在加速膨胀。过去的137亿年里，暗能量的数值忽大忽小，大的时候宇宙就加速膨胀，小的时候就减速膨胀，速度并不是恒定的。真正的哈勃半径需要靠数值拟和来推断，最终的结果大约是138亿光年，只比宇宙的年龄多一亿光年。上文中假设宇宙以恒定速度膨胀是为了简化。

第二，宇宙的拓扑结构。至今还没有人准确的知道宇宙的形状。在微分几何中，四维空间是有形状（拓扑）的。比如说，如果一个人向空间的任何方向走都能回到起点，那么这个三维空间就是一个四维球的表面。所以，原则上说，宇宙可能并不大，甚至可能小于可视宇宙，如果是这样，则遥远的星系其实是附近星系的备份。这很难证实，因为星系在不同的年龄外观也不同。不过，根据WMAP的数据显示，这种可能性微乎其微。观测结果表明，假如宇宙是弯曲的，那么它的弯曲半径至少是我们的视界的10倍左右。这里，10倍只是观测的不确定性引起的。随着观测数据的增加，这个数字还会增大。流行的暴涨论认为，整体上宇宙非常平坦，虽然在细节上由于质量的存在而凹凸不平。

wishpolo

oed 发表于 2015-5-9 22:14
不是这样的。

光线会因为相对远离的运动产生红移，如果接近光速，光的频率就差不多降低为0，仪器检测不 ...

文章里提到的红移其实是空间膨胀导致的，而非运动导致，距离越远空间膨胀的量级越高，红移越大。所以能够根据红移来计算天体距离的远近。
这个和多普勒频移产生的原理不同。

oed

wishpolo 发表于 2015-5-11 12:33
文章里提到的红移其实是空间膨胀导致的，而非运动导致，距离越远空间膨胀的量级越高，红移越大。所以能够 ...

我觉得并不是原理不同，其本质原因都是因为出现相对运动造成频率变化。引力红移才是真正的不一样

针对宇宙膨胀提出宇宙红移，是为了解决多普勒效应里速度无法大于光速的问题。看这个：

这种型态的红移称为宇宙学红移或哈勃红移。如果宇宙是收缩而不是膨胀，我们将观测到星系以相同比例的蓝移取代红移。[19] 这些星系不是以实际的速度远离观测者而去，取代的是在其间的空间延展，这造成了大尺度下宇宙论原则所需要的各向同性的现象。[20]在宇宙学红移z < 0.1的情况下，时空扩展的作用对星系所造成的独特效应与被观察到的红移，相对于多普勒效应的红移和蓝移是极微小的。[21] 实际的速度和空间膨胀的之间的区别在膨胀的橡皮板宇宙有清楚的说明，一般的宇宙学也曾经描述过类似的空间扩展。如果以滚珠轴承来代表两个物体，以有弹性的橡皮垫代表时空，多普勒效应是轴承横越过橡皮垫产生的独特运动，宇宙学红移则是橡皮垫向下沉陷的柱状体的沉陷量。(很明显的在模型上会有维度的问题，当轴承滚动时应该是在橡皮垫上，而如果两个物体的距离够远时宇宙学红移的速度会大于多普勒效应的速度。)

尽管速度是由分别由多普勒红移和宇宙学红移共同造成的，天文学家（特别是专业的）有时会以"退行速度"来取代在膨胀宇宙中遥远的星系的红移，即使很明显的只是视觉上的退行。[22]影响所及，在大众化的讲述中经常会以"多普勒红移"而不是"宇宙学红移"来描述受到时空扩张影响下的星系运动，而不会注意到在使用相对论的场合下计算的"宇宙学退行速度"不会与多普勒效应的速度相同。 [23]明确的说，多普勒红移只适用于狭义相对论，因此v > c是不可能的；而相对的，在宇宙学红移中v > c是可能的，因为空间会使物体（例如，从地球观察类星体）远离的速度超过光速。[24]更精确的，"遥远的星系退行"的观点和"空间在星系之间扩展"的观点可以通过坐标系统的转换来连系。 要精确的表达必须要使用数学的罗伯逊-沃尔克度规。

oed

版主早，感谢一直给加分。
昨天听abc 702说检测到的光线是131亿年前发射出来的（abc 702请一个天文学博士回答观众关于宇宙的问题，不知道是否每周一都有）。上网查了下，据说这光线是在这个星系还在婴儿时代发送出来的，已经在空间游荡了131亿年。它在大爆炸后6.7亿年形成，所以这光线是在它只有几千万年的年龄时候发出来的。

可能现在检测到的星系光线，只要测量出红移，就能唯一确定年龄、距离和速度。

wishpolo

oed 发表于 2015-5-12 00:15
我觉得并不是原理不同，其本质原因都是因为出现相对运动造成频率变化。引力红移才是真正的不一样

针对宇 ...

多普勒的原理基于位移速度这些基于空间的物理量。空间出现延展的时候空间中的物体运动的速度其实是不会受到影响的。普通的多普勒原理基于稳定的空间，无法解释宇宙红移现象。所以才有了空间膨胀的概念，这才能解释宇宙红移现象。空间膨胀，不会导致空间中物体运动变化，是多普勒原理无法运用的领域。
我们不能把普通的相对运动概念放到更大的宇宙中去，大到宇宙，小到量子所运用的物理概念是完全不一样的，基本原理也不同。

oed

wishpolo 发表于 2015-5-12 11:04
多普勒的原理基于位移速度这些基于空间的物理量。空间出现延展的时候空间中的物体运动的速度其实是不会受 ...

你仔细看下下面的话，一般情形下是不去区分"多普勒红移"和"宇宙学红移"，而用多普勒红移来解释。
在这个问题上争论，类似于我说万有引力可以用公式 F=G*M1*M2/R^2来计算，而你说必须用相对论来计算。

在大众化的讲述中经常会以"多普勒红移"而不是"宇宙学红移"来描述受到时空扩张影响下的星系运动，而不会注意到在使用相对论的场合下计算的"宇宙学退行速度"不会与多普勒效应的速度相同。 [23]明确的说，多普勒红移只适用于狭义相对论，因此v > c是不可能的；而相对的，在宇宙学红移中v > c是可能的，因为空间会使物体（例如，从地球观察类星体）远离的速度超过光速

wishpolo

oed 发表于 2015-5-12 11:29
你仔细看下下面的话，一般情形下是不去区分"多普勒红移"和"宇宙学红移"，而用多普勒红移来解释。
在这个 ...

这些话里说得很清楚，“多普勒红移”是大众化的陈述，为了便于让不明其理的大众理解，大众化的通俗表述引用了“多普勒”这个概念并非意味着基本原理是一样的。

我们可以使用万有引力公式，但要清楚它有其适用范围，超出了它的适用范围就得用不同的原理了，这个是大众化的陈述常常会忽略的事情。

oed

wishpolo 发表于 2015-5-12 11:44
这些话里说得很清楚，“多普勒红移”是大众化的陈述，为了便于让不明其理的大众理解，大众化的通俗表述引 ...

这个说到底还是两个物体之间相对运动的速度是什么原因造成的，一个是因为受力造成物体运动，一个是因为宇宙膨胀造成相对运动。

但是这两个红移的根本原因还是因为有相对运动

dootbear

哈勃究竟能看多远？

哈勃发现的最遥远星系正在接近它的能力极限，这台史上最强大的望远镜可能永远也看不到宇宙中最遥远的星系。

“那些基于相同价值观的友谊，是距离和时间无法损害的。”
——罗伯特·索西



图片来源：NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 以及 P. Oesch（圣克鲁兹加州大学）、R. Bouwens （莱顿大学）以及 HUDF09 小组

整个天空可能布满了数千亿个星系。但实际上，这些星系中的一部分由于太黯淡太遥远，哈勃只能勉强看到它们。

限制望远镜能力的原因有两个，一个比较明显，一个比较微妙。

明显的原因是：虽然哈勃的主反射镜直径达到了 2.4 米，但它收集光子的能力仍然会受限制。因此即使长时间曝光 23 天，也只能看到最遥远距离上那些非常明亮的星系。

微妙的原因是：我们看得越远，天体光的红移就会越明显。而这一点非常有意思。


图片来源：NASA、ESA、R. Bouwens 以及 G. Illingworth （加州大学）

大部分最年轻、最炽热、最明亮恒星发出的光线，人眼是看不到的，因为它们实际上是紫外线。

但宇宙在膨胀，星系在远离。这意味着来自遥远恒星和星系的光子，在到达地球的过程中会发生红移，它们的波长会被拉伸。

当我们看到一个明亮、遥远的红色星系时，可以通过比较它在蓝、绿、红和（近）红外光上的相对亮度，来估算它的红移程度，但这也只能估算。如果想知道它真正的红移值，并通过哈勃定律来获知它的距离，就需要测量一些更为确定的东西。

幸好宇宙各处原子的物理特性、原子跃迁的特点是一样的。假如我们能够测量来自天体的发射线光谱（取决于星系的类型，也可以是吸收线光谱），确定元素的成份，就能够以一种非常直接的方式进行计算：

它的红移，
它的距离，
它发光时宇宙的年龄。

在原子跃迁过程中，最强、最易见的恒星或星系发射线来自氢，它在紫外（莱曼系）、可见光（巴尔莫系）或红外（帕邢系）波段上都能够进行跃迁。

但是这些谱线——以及它们的波长——是在这些星系的静止坐标中进行计算的。随着宇宙的膨胀，这些波长会产生极大的红移。最强烈也最容易辨识的跃迁，也就是通常发生在 121.567 纳米波段上的莱曼-阿尔法跃迁，也会产生不可思议的偏移。在一个例子中，红移后的莱曼-阿尔法谱线波长接近了 540 纳米。

哈勃上最新、最强大的相机——3 号广域相机使用的滤镜可以观测到 1700 纳米的波长。因此理论上我们可以看到红移值达 12 或 13，即相当于宇宙年龄只有当前 3% 时的天体。但不幸的是，我们在进行深空观测时并没有使用这些红外滤镜。为了捕捉到更多的光，我们使用了广域波段滤镜。在这个波段上，我们可以达到的最长波长约为 850（上限为 900）纳米。

因此事实上如果我们想看得更远，即便达不到与哈勃相同的分辨率，或者像哈勃那样能够看到更暗的星系，也会经常使用专业的红外太空望远镜，比如斯皮策望远镜来进行观测。



图片来源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono （东京大学） 以及 B. Weiner （亚里桑那大学）

我们随后也需要用地基 8 至 10 米级望远镜来确认这些候选者的光谱。长久以来 UDFj-39546284 这个星系是红移记录的保持者，它的红移值达到了惊人的 11.9！但是你可能已经猜到，这样的星系是哈勃根本看不到的。而且随后的观测也显示，之前的结果受了低红移天体欺骗性发射线的干扰。

不过现在，我们已经有了一个经确认的新记录保持者！


图片来源：NASA、ESA、P. Oesch（耶鲁大学）、CANDELS 小组

这个编号为 EGS-zs8–1 的星系红移值是 7.7，是此类星系中经确认红移值最高的一个。这个数字代表的意思，是光线从这个星系出发时，宇宙的年龄只有 6.6 亿岁。这个星系距离我们大约 290 亿光年，是目前发现的最遥远星系。

要观测这样的星系已接近哈勃能力的极限。哈勃最多只能探测到红移值不超过 8 或 9 的天体，而宇宙中可能存在着红移值达 15 甚至 20 的星系！

虽然哈勃要观测大于 1 微米的波长已经相当吃力，但是詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测能力达到了 30 微米左右，它拥有前所未有的灵敏性和更高的分辨率，收集光的能力也是哈勃的六倍左右！

现在只需一点点运气，我们就能发现宇宙中最遥远的星系。虽然哈勃很伟大，但是它也有局限。在超长波段射电天文学出现之前，詹姆斯·韦伯太空望远镜将是我们发现最遥远星系的希望。




图片来源：NASA、JWST 小组

我已经迫不急待。人类终将揭开遮盖在可见宇宙未知领域上的最后面纱，而这只是时间问题。

文/Ethan Siegel

译/老孙

http://news.mydrivers.com/1/426/426392.htm