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既然宇宙在膨胀,那么我们观测到的天体实际位置不是比我们所观测到的远得多吗?

2021-06-15知识

题主想得没错。

首先澄清一下用词,我们一般说星系 距离 越来越远的时候都是指 普通距离 ,也就是我们一般所理解的距离,在不同时间是会随着宇宙膨胀变化的。宇宙学中还有另一个距离叫 共动距离 ,共动距离在计算中排除掉了宇宙膨胀的影响,所以在任何时间都是保持不变的。后面这个回答里我只会用到 普通距离 ,所以为了方便理解就直接用 距离 这个词来代替。

就拿问题描述给的数字来带入宇宙学的模型看看。

纵轴是普通距离,横轴是时间,下面的蓝点是我们的位置,上面的蓝点是星系的位置,蓝色虚线代表星系随着空间膨胀移动的路径,红点是星系发出的光字,红色虚线是光子的路径。

假如我们现在在地球上看到一个50亿光年外的星系,我们探测到的光子其实是70亿年前发射出来的。为什么这两个数字不一样呢?这是因为那个光子在飞往地球的同时他和地球之间的空间也一直在膨胀,所以它实际穿过的距离是比发射时的距离要远的。而且距离越远退行的速度越快,所以可以看到光子的路径是一条曲线。还有就是那个星系虽然在发射光子的时候离地球50亿光年远,在我们看到的时候因为空间膨胀它实际上已经有90亿光年远了。

假如题主好奇的话,以上的计算的是用到FLRW度規(Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metric)来算的,也就是下面这个东西。

ds^2 = -c^2 dt^2 +a(t)^2[dr^2+S_\kappa(r)^2d\Omega^2]

在这个问题的情况下又可以简化成这个

ds^2 = -c^2 dt^2 +a(t)^2dr^2

ds就是普通距离,dr是共动距离,dt是时间。a(t)是标度因子(scale factor),一般可以把它理解为宇宙在时间 t 时相对于现在的宇宙的膨胀系数。这里面a(t)就是最重要的东西,因为要知道标度因子是如何随着时间变化并不简单,这就要涉及到宇宙学的模型了(特指Λ-CDM),过程比较复杂这里就先不说了。(而且再往后的东西我也忘了懒得回去翻笔记了哈哈哈哈)