科学家是怎样确定宇宙的年龄的?

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  要谈宇宙的年龄,我们就必须提到一个人,艾伦·桑德奇(Allan Rex Sandage,1926—2010),他是哈勃的助手也算是同事。桑德奇以测量造父变星而闻名,为哈勃常数的确定做出了巨大的贡献,确定哈勃常数也是确定宇宙年龄的必要手段。

  

  哈勃常数是确定宇宙年龄的关键

  1953年哈勃去世后,桑德奇就提出了一个深刻而又紧迫的问题:宇宙的年龄是多少?

  我们知道宇宙膨胀导致了大爆炸标准模型的提出,标准模型说我们的宇宙有起源,既然有起源,那么宇宙就有年龄,所以说宇宙的年龄是空间膨胀的的后果。

  

  宇宙自大爆炸以来一直在膨胀。是什么决定了空间的膨胀率?在任何给定的时间里,只有两个因素决定了膨胀率:总能量密度和空间曲率。看下图:

  

  现在,我们知道宇宙中充满了暗能量,但回到1953年,科学家只考虑了两种形式的能量:正常物质(质子、中子和电子)和辐射(光子和中微子)。

  

  如果我们测量哈勃常数,确定宇宙中各种形式的能量的密度,我们就能计算出宇宙的年龄。

  

星系退行速度v=H0d,d为距离,其中H0就是哈勃常数。

  当时天文学家确定的哈勃常数为100千米/秒/Mpc,即一个距离我们一百万秒差距的天体,它的退行速度是每秒100千米(一秒差距=3.26光年)。这个哈勃常数带来了一个很大的问题。

  艾伦·桑德奇测量到M3星团中恒星的年龄比宇宙的年龄还要古老?

  艾伦·桑德奇的研究重点是球状星团;具体来说,桑德奇对梅西耶3号球状星团进行非常详细的测量。

  

  恒星的质量越大,寿命越短,质量越小寿命越长,在恒星的一生中大致90%的时间看起来都没什么变化,唯独在恒星脱离主序星变成红巨星,就会产生巨大的变化,通过观察星团中恒星脱离主序星的情况,就可以大致的算出一个星团的年龄。艾伦·桑德奇对梅西埃3中的恒星进行了非常精确的测量。

  

  令他惊讶的是,M3中的恒星平均年龄在80到100亿年之间!

  这个恒星的年龄很奇怪吗?是的!因为如果宇宙空间没有曲率,由几乎100%的物质组成,以当时哈勃常数测量的值100千米/秒/Mpc来说,宇宙应该只有70亿年的历史!

  显然,这里有很大的问题,不可能有一个宇宙,其中的恒星比宇宙本身还要古老!所以桑德奇就开始重新测量哈勃常数,看看宇宙是否真的比哈勃想象的还要古老。

  桑德奇估计宇宙的年龄在130亿年到140亿年之间

  

  桑德奇开始测量了许多不同星系的造父变星(Cepheids)以确定星系的距离,然后根据星系光谱和多普勒效应确定星系退行的速度。测量出来的哈勃常数不是100公里/秒/Mpc,得到的数值一直在50到60之间,这将大大增加宇宙的年龄。

  此外,桑德奇还发现物质的能量密度实际上要小于总能量密度;这一点尤为重要,因为物质的引力一直阻止宇宙的膨胀,如果宇宙中只有曲率和辐射能量的话,那么宇宙的年龄对物质的密度非常敏感。

  

  结合这两个结果,桑德奇估计宇宙的年龄在130亿年到140亿年之间。这不仅比之前估计的宇宙年龄要古老的多,而且这个估计结果是唯一一个与最新的星团恒星测量结果一致,其中一些星团的年龄高达130亿年!

  

  在20世纪70年代到80年代,由杰拉德·沃库勒尔斯(Gerard de Vaucouleurs,上图左二)领导的一个新的天文学家小组对哈勃常数进行了新的测量,得到的数值始终在85至100千米/秒/Mpc之间。

  桑德奇始终对这个数值表示怀疑!他坚持的观点很简单,如果哈勃常数如此之高,宇宙将再次比其中的许多恒星年轻,这是绝对不可能的。

  哈勃望远镜一劳永逸的解决了哈勃常数的问题,宇宙的年龄被确定在137亿年

  

  上世纪90年代,当哈勃太空望远镜(Hubble space telescope)投入使用时,事情终于有了一个结果。顺便问一下,你有没有想过为什么它被命名为“哈勃”太空望远镜?因为这个望远镜的首要科学目标是要一劳永逸地精确测量哈勃常数!

  相信你已经猜到了,在哈勃望远镜之前所有人都错了。哈勃太空望远镜的关键项目返回的哈勃常数为72 km/s/Mpc,误差小于10%。就这个常数本身而言,这就给了我们一个年龄大约为123亿年的宇宙,但是我们在1998年还发现了一些额外的信息。在我们的宇宙中,能量的主要成分70-75%既不是普通物质也不是辐射,而是暗能量!

  

  72km /s/Mpc和宇宙中的暗能量导致了我们现在看到的137亿年的宇宙。虽然杰拉德·沃库勒尔斯在当时被普遍认为是“更正确的”,但桑德奇很显然是更接近于正确图景的那个人。

  

  以上就科学家关于宇宙年龄的猜测和争论。

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