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宇宙的真实年龄,只有114亿岁?

2019-09-18 09:45:11  来源:环球科学

图片来源:wikipedia

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根据现有的天文学数据,宇宙诞生于大约137亿年前的大爆炸。但最近,诸如“宇宙年龄只有114亿岁”的报道刷屏了物理学网站。这项介绍哈勃常数全新测定方式的研究,与宇宙年龄有着怎样的联系?宇宙真的比我们预想的更年轻吗?

哈勃常数争议

对宇宙年龄的估计,基于一个至关重要的数字——哈勃常数。哈勃常数刻画了宇宙膨胀的速率,在宇宙学研究中有着基础性的地位。但略显尴尬的是,直到现在,我们也无法确定哈勃常数的准确数值,因为通过两种主流手段测出的哈勃常数存在明显的分歧。

其中一个数值,是通过宇宙微波背景辐射测算出来的。这种方法测量的是宇宙微波背景辐射中的重子声波振荡的大小,代入冷暗物质宇宙学模型后,得出的哈勃常数数值是67.8km/s/Mpc。

另一个答案,由诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯领导的团队得出,他们的观测对象是IA型超新星(一种由双星系统形成的超新星)与造父变星(一种光度和脉动周期直接关联的变星)。IA型超新星亮度非常固定,而造父变星的亮度是周期性变化的,这些规律的存在使得它们可以成为宇宙中的“标准光源”。天文学家通过星体的光谱红移,结合测得的绝对距离,算出的哈勃常数为74km/s/Mpc。但这个方法的问题是,超新星的绝对距离只能根据相对距离推测,而无法直接测得。

此后,一些科学家试图通过其他手段解决哈勃常数的争议,却让问题变得愈加复杂。就在今年7月,美国芝加哥大学的研究团队使用红巨星作为“标准烛光”,得出的哈勃常数为69.8 km/s/Mpc——依旧不同于此前的任何答案。

现在,在一项发表于《科学》的研究中,德国马克斯普朗克研究所的Inh Jee等人使用全新的手段——引力透镜,得到了新的答案:82 km/s/Mpc。当然,由于目前的数据量有限,因此整个分析的误差较大,上下都要浮动大约8 km/s/Mpc。换句话说,这项研究测出的哈勃常数在74~90 m/s/Mpc之间。而按照平均值82 km/s/Mpc来估算,宇宙年龄只有114亿年——比原先的137亿年年轻至少20亿年。

哈勃常数与宇宙年龄

哈勃常数与宇宙年龄的关系究竟是怎样的?为什么哈勃常数越大,宇宙的年龄却越小?

宇宙是在膨胀的,每时每刻的大小都不一样,我们把每个时刻t的宇宙大小记作函数a(t)。需要指出的是,宇宙的膨胀速度并不是均匀不变的——宇宙最初减速膨胀,大约在距今50亿年前,宇宙开始了加速膨胀。也就是说,a(t)对时间的导数不是常数。

为了刻画这个过程,我们定义了哈勃参数H(t):

在这个定义中,分母是宇宙的大小,分子是其对时间的导数。在t=0(即我们所处的时刻)时,哈勃参数的取值就是哈勃常数。

从宇宙大爆炸到现在对a(t)做积分,就可以得到宇宙的年龄。从积分的结果可知,如果哈勃常数越大,则宇宙的年龄越小。

为什么哈勃常数越大宇宙的年龄越小,从物理直观上也可以理解。因为哈勃常数给出的是宇宙膨胀的速率,数值越大,说明宇宙膨胀越快,所以宇宙可以花更少的时间就可以膨胀到现在的大小。

引力透镜

从哈勃参数的定义可以看出,要得到哈勃常数,必须要测准宇宙的大小(也就是空间距离)。但在天文学中,只能测准红移,测不准距离。所以,天文学家的主要工作之一,就是做出红移与距离的函数关系,这类似于分析化学中经常使用的标准曲线。有了这个曲线,就可以通过红移定出星体来宇宙中的距离了。

Inh Jee等人在最新研究中,使用引力透镜来绘制“标准曲线”。

在爱因斯坦创立广义相对论后,1919年,爱丁顿领导的日全食实验已经证明引力可以让光线弯曲。因此,特定的引力场可以看成是一个透镜。在宇宙中,一些质量巨大的星系,就可以被看成一个透镜系统。

引力透镜示意图

引力透镜示意图

Inh Jee等人选择了两个引力透镜系统,分别是编号B1608+656与RXS J1131-1231的星系。有了透镜,还需要合适的光源。研究团队选择了两个类星体(宇宙中最亮的天体,其光芒很可能由中心的大质量黑洞吸积周围物质而产生),这两个光源的红移分别是Z=0.295(大约距离地球38亿光年)以及Z=0.6304(大约距离地球75亿光年)。作者运用两个引力透镜,分别对光源进行测距。

为此,他们依靠了一种名为“延时透镜”的特殊效果。加州大学洛杉矶分校天体物理系博士后丁旭恒告诉《环球科学》:“在强引力透镜系统中,一个光源(类星体或者超新星)发出的光被大质量星系吸引、弯曲形成多个像,这些像到达地球的时间是不一样的。”正是根据这个时间差,结合引力透镜图像的分析,天文学家可以测量出光源、透镜体与地球的关系距离。

通过“延时透镜”测距的示意图

通过“延时透镜”测距的示意图

有了以上数据,就可以标定出透镜体距离与红移的对应关系。再结合对之前已经存在的740个IA型超新星数据的校对,研究人员得到标准曲线。由此,他们得到的哈勃常数为82.4 km/s/Mpc,这将使宇宙的年龄变成114亿年左右。如果数据准确,这将是对目前公认的宇宙年龄的巨大修正。

通过两个类星体与740个超新星绘制的标准曲线(A)

通过两个类星体与740个超新星绘制的标准曲线(A)

不过需要指出的是,这个全新的实验思路虽然精妙,但目前还是比较粗糙的。论文也强调了,由于目前用到的引力透镜只有2个,测得的距离精度还不够。因此,如果说宇宙的年龄被更新了,还为时尚早。但毫无疑问的是,这个方法是对哈勃常数现有测定结果的有益补充。随着观测数据的丰富,哈勃常数的争议或将最终得到解决。

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