导语：宇宙到底有多大？科学家是怎么知道的？

人们仰望星空时，也许会异常平静，这种体验感很清晰（也可能毫无意义）。然而，对于那些有着无限的好奇心的人来说，凝视星空会带来无尽的疑问与谜团。在视界线的另一端会是什么呢？暗物质又是什么，它是做什么的呢？宇宙究竟有多大？

最后一个问题（至少在这三个问题中）是我们能够回答的，尽管答案并不那么容易理解。，让我们不去涉及太多天体物理相关的话题，尽可能简单地回答这个问题：科学家们怎样知道宇宙有多大？

简短回答：借助具有不同观测距离的测量工具（三角视差、宇宙标准烛光、超新星亮度、星系红移、宇宙微波背景），可以创造一个宇宙距离阶梯，能够准确测量遥远的星系，以及宇宙的大小。

太空中的距离是怎样测量的？

在我们了解到宇宙最大距离以十亿光年为单位之前，我们首先要从宇宙距离阶梯的第一级开始。

从近距离开始-我们是可以用高中课堂上学过（且很快忘记）的基本三角函数尝试测量较近的宇宙距离，例如在太阳系内，或者银河系内与我们临近（不超过100光年）的宇宙。基本上只要你在一年中的某一刻测量一颗恒星在天空中一点的位置，然后在六个月后再次测量它的位置，就能够得到附近物体相对于天空中更遥远的恒星的位置。

假使你知道地球轨道的长度，然后根据这两次测量得出的角度，就有可能计算出实际距离（感谢勾股定理！）。但是，如果一颗恒星离地球越远，它的位移就越小，角度的测量就由易变难，因此就需要用到宇宙距离阶梯的第二级。

宇宙标准烛光----一旦超出了三角视差法的有效测量范围，天文学家们就会使用称作造父变星的恒星来测量，它们很常见且很明亮。这类特殊的恒星于1794年首次为人们发现，它们具有周期脉动的趋势，有规律地越变越亮或者越变越暗。更有意思的是，造父变星的脉动时间越长时，它就越亮；脉动时间越短，它就越暗。

用视差法（见上文）来测量附近的造父变星，然后比较它们与更遥远的造父变星的脉动周期时间，就可以确定它们的真实亮度，从而计算出它们的距离。造父变星遍布我们的银河系，它们的存在甚至超出银河系外（8000万光年远），称为宇宙标准烛光，能够作为标准的距离标识，形成了宇宙距离阶梯的关键一级。，

图解：船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一，由哈勃空间望远镜拍摄

超新星亮度----尽管8000万光年好像是一个惊人的距离，但是宇宙是它的1000倍以上，这也意味着宇宙距离阶梯需要运用别的层级。超新星的作用也就在这里显现了，不过主要是特定的双星系统中的超新星。在这些双星系统中，一颗恒星暴死成为了白矮星，而它的伴星存活下来，接着白矮星吸积伴星的物质，不断变大，直到质量超过太阳质量的1.4倍（也就是钱德拉塞卡极限）。

在那时，又会发生一次巨大的爆炸，巨大到在半个可观测宇宙中都能看到，所释放的能量超出整个星系，也就形成了1A型超新星。已知爆炸质量的大小，天文学家们就能够计算出爆炸的绝对亮度，然后计算出遥远星系大概的宇宙距离。

星系红移----在更遥远的距离----数百亿光年外----哈勃常数就起作用了。这是宇宙膨胀的测量单位，以埃德温哈勃命名。接下来的对话可能会有一些混乱。也许很难理解，但是除了宇宙在以不断增长的速度同时向各个方向膨胀外；宇宙中不同物体之间的空间也在膨胀。这种物体间的膨胀(和加速)与暗能量有关，超出了本文的讨论范围，但足以说明，所有物体都在远离其他物体，并且越来越快。

目前的宇宙膨胀速度约为每秒72-74千米每秒，每百万秒差距(326万光年)。因此，你看得越远，星系远离我们的速度也越快。要确定非常遥远的星系的距离，你必须测量星系红移来确定星系远离我们的速度有多快。

当哈勃通过棱镜观察来自遥远星系的光时，他发现了一种“红移”，偏离了已知的颜色。简要解释一下，看到一个远离你的物体发出的光时，光会显得更红，因为它拉长了电磁频谱。而另一方面，当一个物体的光向你移动时，它会压缩磁场频谱，并产生“蓝移”。对于哈勃观测到的绝大多数星系都有这种红移，这意味着它们正在远离我们。通过在图上绘制不同的红移和已知距离，就有办法以相对较高的精度确定极远星系的距离。

宇宙微波背景----这是最终的测量工具，也可以说是宇宙距离的基准线。宇宙微波背景辐射(CMB)是大爆炸后最早期的残余辐射(最早是一个相对词，大约是大爆炸后40万年)。这种辐射是迄今为止在恒星之间的“空”空间中探测到的最古老和最远的辐射。通过这个基准线可以推断宇宙的年龄约为137亿年。

这也就意味着我们能看到的最远的时间是137亿年，因为光(以光速运动)到达我们需要137亿年。因此，“可观测宇宙”的半径为137亿光年，直径约为275亿光年。

但是，“已知宇宙”的半径并非137亿光年。再回想一下哈勃常数和它对宇宙膨胀的测量。来自宇宙微波背景辐射的光如今到达我们的眼睛已经走过137亿年了，但同时宇宙也在不断膨胀，把已知宇宙的边缘扩张到更远，虽然严格来说，我们并不能看到那么远。但是通过运用哈勃常数，我们可以计算出现在这些光子的起源，答案是惊人的——460亿光年远!这意味着“已知宇宙”的直径有920亿光年!

显然，计算这么大的距离会使大脑宕机，超出人类的理解范围。幸运的是，有许多天文学家对这类测量方法的精通和宇宙距离阶梯的存在，这样我们能够时刻关注宇宙是如何运动的——以及我们在其中的位置!

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. sciabc

宇宙有多大？-物理学网

斯普林格数据库

宇宙距离阶梯-物理学院

宇宙微波背景-普朗克（卡迪夫大学）

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