您当前的位置: 首页 >  博客资讯

一束光经历13亿年来到地球,走了多少路,光源现在离我们多远?

本文基于回答网友问题:假设宇宙中某一点向地球发射了一束光,这束光经过13亿年到达地球,请问这个点距离地球有多少千米?

这是一个简单的数学题,但要回答,还要先了解一下光年的定义。

光年

1光年就是光走一年时间经过的尺度,真空光速每秒精确值为299792458m/s(米/秒),一般采用每秒约30万km(千米)。

1年在宇宙测量中采用儒略年,每年356.25天,每天24小时,每小时3600秒,每年就是31557600秒。这样1光年就是光走31557600秒的尺度,准确值就为9460730472580800m,一般采用1光年约为9.46万亿km。

这就是光年的来历。那束光走了13亿年来到地球,说明那个光源距离地球13亿光年。也就是在它发出光的那一秒,距离我们就是约122980亿亿千米。

但既然这束光来到我们地球走了13亿年,这束光发出时的位置也就是13亿年前的位置。而宇宙一直在膨胀,遥远的星系都在高速离我们远去,这个光源(或星系)经过13亿年运动远离,早就不在那个位置了。

那么这个光源现在距离我们多远呢?这就需要用到哈勃定律了。

哈勃定律

哈勃定律就是计算不同距离离开我们速率,或者说宇宙膨胀速率的一个理论,是上世纪伟大的天文学家埃德温・哈勃发现并创立的。

哈勃经过对宇宙的长期观测,发现了宇宙膨胀的规律:所有遥远天体都在远离我们而去,而且各向同性,越远越快,并且呈线性关系。这个意思就是不管从哪个方向看,远方所有在相同距离的星系都是以同样速度离开我们,越远速度越快,速度的提升与距离成正比。

这样他得出了一个宇宙膨胀规律,人们把它称为哈勃定律,简单表述为:V=HD。这里的V表示远方星系离开我们的速率,单位km/s(千米/秒);H表示哈勃常数,单位为(km/s)/Mpc(百万秒差距,约326万光年);D为被观测星系距离,单位Mpc。

从这个公式来看,只要知道这个光源(星系)距离我们多远,然后知道哈勃常数,就能够计算出离开我们的速度了。换句话说,一定距离的星系离开我们的速度,就是宇宙膨胀的速率。

有关遥远星系与我们的距离怎么测算,有多种方法,如光谱红移、标准烛光、造父变星、三角视差等,过去多有介绍,今天就不说了。在已知天体距离前提下,在哈勃定律公式里,哈勃常数是一个关键,只要知道哈勃常数,就能够知道不同距离星系离开我们的速度。

哈勃常数

哈勃常数是什么呢?就是在距离我们Mpc(百万秒差距,约326万光年)的地方,星系离开我们的速度。我们知道远方星系离开我们的速度是各向同性,越远越快,呈线性正比关系的,这样,有了哈勃常数这个点速度,就能够计算出不同距离的宇宙膨胀速率了。

这里特别说明一下,哈勃常数为啥要用百万秒差距约326万光年这么大一个单位呢?这是因为宇宙膨胀是大尺度膨胀,在较小距离尺度,天体运动更多受引力约束,宇宙膨胀表现不出来。

比如仙女座星系距离我们银河系约254万光年,目前两个星系在相互引力作用下,不但没有分开,而是呈现靠拢的趋势,速率达到300km/s,预计在30~40亿年后,两个星系会发生碰撞,然后融合成一个更大的星系。

但在超过哈勃常数距离的更远处,星系总体上是远离我们而去的。

几十年来,天文学家们一直在用各种方法测量哈勃常数,如la超新星标准烛光法、引力透镜法,采用普朗克卫星和钱卓X射线天文台等方法,测得的哈勃常数也各不相同,但大致都在一个范围。

欧洲航天局2013年利用普朗克卫星,测得的哈勃常数为67.8,这是迄今为止最小的哈勃常数;2019年德国科学家利用引力透镜效应计算出的哈勃常数为82.4,这是迄今最大的哈勃常数。

这两个数据是科学界引用较多的数据。我们既不按大的也不按小的,折中取一个平均值,得到哈勃常数为75.1。

13亿光年那个光源现在与我们的距离

我们将上述得到的哈勃常数75.1套入哈勃定律公式,就可以计算出在13亿光年处那个光源(或星系)离开我们的速率约为3万km/s。如果按照这个速率经过13亿年,这个光源或星系就在13亿光年距离基础上又远离了我们约122860亿亿千米,也就是约1.3亿光年。

这样,这个距离我们13亿光年处发出的光线,到达我们地球后,这个光源或星系就早已不在原来位置,而是已经在比距离14.3亿光年更远的地方了。

为什么会更远呢?因为远方星系与我们的距离随着时间推移,应该按照共进距离公式计算,也就是每远一点速度都递进增加计算,这个公式很复杂,涉及到微积分和时空度规等复杂理论,作为科普文章,这里就不搞得那么复杂了,只是简单计算。

这种简单计算就是在13亿光年处,因宇宙膨胀星系离开我们速率约为3万km/s;而在14.3亿光年处,宇宙膨胀的速率约为3.3万km/s。折中一下,膨胀速率就为3.15万km/s,经过13亿年运动,距离就增加了约1.37亿光年,因此现在这个光源就到了14.37亿光年的位置。

13亿光年传过来的引力波,波源位置也可以这么理解

2015年,人类用精密引力波探测仪测到了第一个引力波,这个引力波就是来自13亿光年外2个黑洞相撞发出的时空涟漪,经历13亿年时间传到了地球。

科学已经证明了引力波的传递速度就是光速,因此我们可以按照上述计算方法,计算出这个由两个黑洞合并而成的更大黑洞,现在实际上已经距离我们14.37亿光年远了。

我这样说,大家应该能理解吧?欢迎讨论,感谢阅读。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。