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宇宙138亿岁的年龄是怎样算出来的?

1989年,COBE卫星发射升空,这颗卫星的中文名叫“宇宙微波背景探测器”,在它的身上携带了两个重要的仪器,FIRAS(远红外绝对分光光度计)和DMR(差分微波辐射计)。

FIRAS就在多个频段上测量了微波背景辐射的能量密度,1992年研究团队根据FIRAS的数据公布了测量结果,数据显示,微波背景辐射跟2.725K的黑体谱吻合的很好。

此次测量,以前所未有的精度和无可辩驳的证据,验证了大爆炸原始火球的预言,曾经和大爆炸理论分庭抗礼长达二十几年的稳恒态理论,悄然退出历史舞台。

当然COBE的测量结果也告诉了我们,宇宙诞生以后的38万年到今天,曾经温度高达3千K的宇宙,随着空间的膨胀,现在已经降温到2.725K,COBE测量的误差只有0.00047K,总的来说,当今的宇宙空间只比绝对零度高了那么一点点。

不过,事情到这里还远没有结束,微波背景辐射简称CMB,它不仅仅是证明了大爆炸理论的正确性,它作为宇宙诞生以后的第一批光子,是当今人类能够追溯到的,最古老的宇宙图景,它一定能给我们带来一些非凡的发现。

因为在中性原子形成之前,宇宙是一个高温等离子体,其中的光子会与带电粒子,尤其是电子发生频繁的弹性散射,所以在此之前的宇宙是漫长的不透明时期。

因此在中性原子形成之前,宇宙到底发生了什么?我们并不能通过观测去实证,只能靠我们已经掌握的科学理论去做出合理的推测。

比如之前我们说的,关于大爆炸核合成的预言,就是人们通过核物理、电磁学所作出的合理性预测,并且这个预测已经得到了观测的证实,因此大爆炸核合成也成为了大爆炸理论的三大基石之一。

除此之外,人们对哈勃膨胀率也做出了更为精确的测量,在1929年的时候,哈勃当时测量星系距离的办法只有一个,就是造父变星测距法,这种方法有很大的局限性。

比如,在遥远的星系中,我们根本就分辨不出单颗恒星,因为恒星的尺度和亮度跟星系比起来,简直就像是蚍蜉撼大树,不值一提。

所以当年哈勃只测量了22个星系的距离和红移之间的关系,最远的距离都没有超过700万光年,所以说它测量出来的哈勃膨胀率根本就不准。

现在看到的这个图片就是哈勃当年的测量结果,横坐标是距离,竖坐标是星系的退行速度,这里需要注意的是,退行速度也叫视向速度,也就是在我们视线方向星系的运动速度。

从图中可以看出,星系的距离和退行速度之间的关系呈简单的线性关系,这个线性关系的系数就是哈勃膨胀率。从图中也可以看出来上面的数据点寥寥无几。

在前面视频中我们提到过,星系退行的速度不仅仅有宇宙膨胀带来的效应,还有它自身在空间中的本动速度,所以想要测准哈勃膨胀率,就需要大量星系的数据,才能把星系的距离和因为空间膨胀所带来的退行速度之间的关系拟合得更加准确,所以就需要大量星系的数据去无限的逼近真实的宇宙膨胀率。

那么其中测量星系退行速度的方法很简单,就是测量星系光谱中吸收线的多普勒红移,就能算出它的视向速度,唯一比较困难的是测量星系和我们距离。

说白了就是,造父变星在远距离上用不了,所以我们需要找到一个可以在更远的距离上给星系测距的办法,这个难不倒科学家。

相信你听过Ⅰa型超新星测距法,这是我们目前所知实用距离最远的测距方法,测距的范围可以达到数百亿光年。

Ⅰa型超新星能被当作标准烛光使用,是因为它的亮度很高,爆发时可以超过整个星系的亮度,其次是所有的Ⅰa型超新星爆发的时候,它的本征亮度都是一样的。

因为1a型超新星爆发的机理非常的规律,听说过钱德拉塞卡极限吧。说的是,当一颗白矮星偷伴星的氢气,使他的质量达到1.4倍太阳质量的时候,就会点燃核心的氦聚变,发生爆炸,这就是1a型超新星。

因此所有的1a型超新星本征亮度都一样,我们可以测量它的视亮度,利用简单的平方反比关系就能知道它和我们之间的距离了。

除了1a型超新星以外,还有一些其他的测距办法,科普的话一般很少会提到这些,比如图里-费舍尔关系法、法贝尔-杰克逊关系法,表面亮度波动法等等这些办法,他们测量的距离通常在数十亿光年。

现在看到的这张图片是哈勃太空望远镜观测的结果,其中的测距办法就是我上面说的那几种,测量的距离比哈勃当年测量的距离远了几百倍。

就目前来说,我们已经把哈勃膨胀率修正到了每百万秒差距每秒68千米,误差正负4千米。那说了这么多,这跟宇宙的年龄有啥关系?

有关系!你想一下,我们的宇宙是从一个点爆开的,现在距离我们326万光年的星系,它的退行速度是每秒68千米,好,那我问你一个问题。

一个退行速度每秒68千米的星系从银河系的身边,跑到326万光年,需要多长时间?这不就是简单的小学应用题吗?确实是这样的,哈勃膨胀率可以告诉我们宇宙的年龄,就是哈勃膨胀率的倒数,也就是1除以哈勃膨胀率就是宇宙的年龄。

但问题是这样计算的前提是,宇宙需要一直保持匀速膨胀的状态,也就是从宇宙诞生到现在哈勃膨胀率一直是一个常数。

很显然,真实的宇宙并不是这样的,我们宇宙的膨胀率受到了其中能量存在的形式,以及含量的影响,说白了就是宇宙中到底都有些什么?这些东西占宇宙能量形式的比例是多少?

很显然,我们的宇宙中有普通物质,也就是有质子、中子、电子组成的物质,然后我们通过观察星系、星系团的质量,旋转方式,大尺度结构的聚集形式,知道了其中还有一种看不到的,可以产生引力的物质,叫暗物质。

通过测量宇宙今天的膨胀状态,我们发现宇宙在加速膨胀,加速就意味着有一种能量在对抗着万有引力,所以我们认为宇宙中还有一种看不见的能量形式,叫暗能量。

所以我们根据CMB宇宙微波背景辐射、SNe超新星数据、BAO重子声学振荡,综合观测的结果发现,我们宇宙的能量形式包括,68%暗能量,27%暗物质,4.9%普通物质,0.1%的中微子,大约0.01%的辐射粒子。

这些能量形式除了暗能量以外,都在阻碍着宇宙的膨胀,所以我们认为在早期的宇宙中,我们经历很长一段时间的减速膨胀的状态,因为在当时宇宙的体积很小,辐射和物质的能量密度要高过与暗能量的能量密度。

所以在减速膨胀的那段时间,宇宙有辐射和物质主导,一直处在减速膨胀的状态当中,正因为如此,宇宙才在数十亿年间形成了恒星、星系、星系团等等这些大尺度结构。

但是辐射和物质有一个特点,他们会随着宇宙的膨胀密度降低,但暗能量并不会这样,所以在宇宙膨胀到一定的尺度以后,暗能量的密度就开始反超物质密度,掌控了宇宙的膨胀,使得宇宙从诞生后的减速,变成了加速状态。这个时间大约发生在50亿年前。

我们现在知道了宇宙的组成成分,它们的比例,以及它们如何影响宇宙的膨胀历史,然后在通过测量今天的膨胀率,我们就能大致的算出宇宙的年龄大约就是138亿年。

当然,这个过程超级复杂,这都是大量的科学团队发了大量论文以后确定的,不是一篇科普文章能够讲清楚的,当然以我的能力,我具体也说不清楚其中的细节,这都是科学家的事。

但我说的总体上的科学方法是没有问题的,绝对够得上是正确的科普。其实科学家对它们算出来的宇宙年龄也不放心,因为在推导的过程中存在很多的不确定的因素和猜测。

所以它们必须找一个办法来验证宇宙的年龄,就是宇宙中的恒星!恒星大约出现在宇宙诞生以后的几亿年间,所以宇宙中最古老的恒星其实跟宇宙的年龄都差不多。

现在我们观察一个星团,把其中所有的恒星根据它亮度和颜色进行归类,也就是放在一个坐标图中,根据大量的数据点,你就会发现一个简单明了的关系。

现在我们看到的就是,恒星的赫罗图。在其中你可以发现,一个星团中大部分的恒星都处在主序星阶段,也就是氢到氦聚变的阶段,这个阶段会占到恒星寿命的90%以上。

所以我们只需要观察一个星团中的恒星脱离主序星的情况,在其中找质量最小的恒星,看他现在多少岁了,我们就能知道这个星团多少岁了。

目前我们发现,我这里说的是已经确定公认的,星团的年龄大约在132亿岁左右,很符合我们关于宇宙年龄的推测。

当然最近好像有一个消息,说发现了140亿岁的恒星,超过了宇宙的年龄,挑战了当今的宇宙学。其实我觉得这也没啥,如果真有140亿岁的恒星,跟138亿年的宇宙也差不了几亿岁,毕竟我们的宇宙年龄就是推测出来的,并不是严密的计算结果。

好了,今天的内容就到这里,这节课我们接着说微波背景辐射。