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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?

本文基于回覆网友问题:假设宇宙中某一点标的目的地球发射了一束光,这束光颠末13亿年达到地球,请问这个点距离地球有几多千米?

这是一个简单的数学题,但要回覆,还要先领会一下光年的界说。

  • 光年

1光年就是光走一年时候颠末的标准,真空光速每秒切确值为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,天天24小时,每小时3600秒,每年就是31557600秒。这样1光年就是光走31557600秒的标准,精确值就为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,申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。而宇宙一向在膨胀,遥远的星系都在高速离我们远去,这个光源(或星系)颠末13亿年活动远离,早就不在那个位置了。

那么这个光源此刻距离我们多远呢?这就需要用到哈勃定律了。

  • 哈勃定律

哈勃定律就是计较分歧距离分开我们速度,或者说宇宙膨胀速度的一个理论,是上宿世纪伟大的天文学家埃德温·哈勃发现并创立的。

哈勃颠末对宇宙的持久不雅测,发现了宇宙膨胀的纪律:所有遥远天体都在远离我们而去,并且各标的目的同性,越远越快,而且呈线性关系。这个意思就是不管从哪个偏向看,远方所有在不异距离的星系都是以同样速度分开我们,越远速度越快,速度的晋升与距离当作正比。

这样他得出了一个宇宙膨胀纪律,人们把它称为哈勃定律,简单表述为:V=HD。这里的V暗示远方星系分开我们的速度,单元km/s(千米/秒);H暗示哈勃常数,单元为(km/s)/Mpc(百万秒差距,约326万光年);D为被不雅测星系距离,单元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,就可以或许计较出分开我们的速度了。换句话说,必然距离的星系分开我们的速度,就是宇宙膨胀的速度。

有关遥远星系与我们的距离怎么测算,有多种方式,如光谱红移、尺度烛光、造父变星、三角视差等,曩昔多有介绍,今天就不说了。在已知天体距离前提下,在哈勃定律公式里,哈勃常数是一个关头,只要知道哈勃常数,就可以或许知道分歧距离星系分开我们的速度。

  • 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)的处所,星系分开我们的速度。我们知道远方星系分开我们的速度是各标的目的同性,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,就可以或许计较出分歧距离的宇宙膨胀速度了。

这里出格申明一下,哈勃常数为啥要用百万秒差距约326万光年这么大一个单元呢?这是因为宇宙膨胀是大标准膨胀,在较小距离标准,天体活动更多受引力约束,宇宙膨胀表示不出来。

好比仙女座星系距离我们银河系约254万光年,今朝两个星系在彼此引力感化下,不单没有分隔,而是呈现挨近的趋向,速度达到300km/s,估计在30~40亿年后,两个星系会发生碰撞,然后融合当作一个更大的星系。

但在跨越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,天文学家们一向在用各类方式测量哈勃常数,如la超新星尺度烛光法、引力透镜法,采用普朗克卫星和钱卓X射线天文台等方式,测得的哈勃常数也各不不异,但大致都在一个规模。

欧洲航天局2013年操纵普朗克卫星,测得的哈勃常数为67.8,这是迄今为止最小的哈勃常数;2019年德国科学家操纵引力透镜效应计较出的哈勃常数为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,获得哈勃常数为75.1。

  • 13亿光年那个光源此刻与我们的距离

我们将上述获得的哈勃常数75.1套入哈勃定律公式,就可以计较出在13亿光年处那个光源(或星系)分开我们的速度约为3万km/s。若是按照这个速度颠末13亿年,这个光源或星系就在13亿光年距离根本上又远离了我们约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,达到我们地球后,这个光源或星系就早已不在本来位置,而是已经在比距离14.3亿光年更远的处所了。

为什么会更远呢?因为远方星系与我们的距离跟着时候推移,应该按照共进距离公式计较,也就是每远一点速度都递进增添计较,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,只是简单计较。

这种简单计较就是在13亿光年处,因宇宙膨胀星系分开我们速度约为3万km/s;而在14.3亿光年处,宇宙膨胀的速度约为3.3万km/s。折中一下,膨胀速度就为3.15万km/s,颠末13亿年活动,距离就增添了约1.37亿光年,是以此刻这个光源就到了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,人类用紧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,履历13亿年时候传到了地球。

科学已经证实了引力波的传递速度就是光速,是以我们可以按照上述计较方式,计较出这个由两个黑洞归并而当作的更大黑洞,此刻现实上已经距离我们14.37亿光年远了。

我这样说,大师应该能理解吧?接待会商,感激阅读。

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