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宇宙年齡有多大,138.2億歲(中青年時期)

宇宙一直是人類不斷探索與發現的地方,宇宙擁有著不可思議的力量與能力,各種巨型恆星,恐怖黑洞,人類存在的年齡對於宇宙年齡來說是微不足道的,日前科學家已經試著探究出宇宙的 真實年齡,而且得出了比較靠譜的結論。

在科學家的共同努力下,宇宙年齡被測算得越來越精細,從二三百萬歲到138.2億歲,今後肯定還會更精確。 每一次更精確的數據後面,都有新的理論和新的技術給予強有力的支撐。 這些理論和技術很深奧難懂,但不管怎樣都阻擋不了人類的好奇:宇宙的年齡到底是怎麼測出來的呢?下面,專家為大家介紹三種主要的方法。

一、尋找宇宙中最古老的天體——“麥修薩拉”

“麥修薩拉”的年齡是宇宙年齡的下限

在南京地質博物館,有一塊來自加拿大的小石頭。 這塊石頭表面看上去黑黝黝的,暗淡無光。 但科學家說,它是最古老的岩石。 這塊岩石是鎂鐵和超鎂鐵岩包裹體,經同位素測定,它自形成到現在已經40億年了。 目前地球上還沒有發現比它更“老”的岩石。 如果據這塊岩石推測,地球年齡的下限大概在40億歲。

和地球一樣,宇宙中也有和宇宙差不多同齡的古老“恆星”。 找到這種恆星,也差不多就可以知道宇宙年齡的下限,而這也被認為是測算宇宙年齡最基本的方法之一。

麥修薩拉是《聖經》裡一位活到969歲的猶太族長的名字,是《聖經》中壽命最長的人。 天文學家把最古老的星命名為“麥修薩拉”星。 以下幾顆最古老的恆星自本世紀以來相繼被稱為“麥修薩拉”星。

2001年天文學家利用歐洲南方天文台的甚大望遠鏡,對一顆距離地球約1萬光年、球狀星團中編號為CS31082-001的恆星,進行了高精度光譜觀測。 根據光譜,第一次得到太陽系外天體的放射性同位素釷-232和鈾-238(Uranium-238)含量之比,從而計算出該恆星的年齡是125億歲,已經接近了宇宙年齡。

2007年,天文學家又用相同的辦法,測得一顆距離地球7500光年、編號為HE 1523-0901的紅巨星的年齡為132億歲。

賓西法尼亞州立大學的天文學家經過近10年的觀測,於2013年2月公佈找到一顆距離地球僅190光年、編號為HD 140283的亞巨星,其測定的年齡高達144.6億歲,但 誤差有8億歲。

以上這幾顆最古老的恆星,根據它們的金屬含量,都屬於宇宙中的第2代恆星。

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二、“標準燭光”

1917年,天文學家斯利普在觀測遙遠天體時,發現一些天體的光譜譜線存在“紅移”。 這些天體看起來以一定速度在遠離地球。 那麼這些天體距離地球有多遠呢?

對於鄰近的天體,天文學家的量天尺是三角視差法。 天文學家把地球和太陽的平均距離定義為一個天文單位,大約是1.5億公里。 對於太陽系外的一些恆星,天文學家在1年中分別觀測幾次,比如在春分和秋分對某顆星進行觀測,測量它在天球坐標上的位移。 如果兩次觀測地球位移了1個天文單位,而恆星位移了1角秒,天文學家就定義恆星距離地球1秒差距。 根據初中的三角幾何知識,我們就可以求出1秒差距為30.9萬億公里,或者是3.26光年。

天文學家利用這種方法得到一大批太陽系附近恆星的距離,並且計算出這些恆星的光度。 在這些恆星中,人們發現有一些恆星並不是永恆不變的,例如造父類變星。 造父類變星不僅光度有周期性變化,而且光度和周期有很好的相關性,簡稱“周光關係”。 造父類變星是人類最先使用研究宇宙的一類“標準燭光”。 所謂標準燭光,就是如果我們把一支發光穩恆的蠟燭,放到不同的距離上,我們就可以通過觀測到的蠟燭亮度,來求出蠟燭離我們的遠近。 原理很簡單,蠟燭的亮度隨距離是負2次方減弱。 天文學家利用造父類變星的周光關係,在鄰近的星系中尋找該類天體,通過觀測到的變化週期和亮度,推算出鄰近星系的距離。

對於比鄰近星系更遙遠的天體,天文學家要尋找更明亮的“標準燭光”。 20世紀90年代天文學家發現有一類超新星可以作為標準燭光。 2004年,天文學家發現在伽瑪射線暴中也存在“標準燭光”。

三、145億歲可能是宇宙年齡的下限也可能是上限

埃德溫·哈勃在20世紀20年代研究造父類變星,他驚奇地發現,造父類變星的紅移,亦即相對地球的遠離速度,竟然和距離成正比!

我們現在知道,銀河系的尺度,包括銀盤、銀暈,大概是10萬秒差距。 把10個這樣的銀河系首尾相連,放在一直線上,那麼總的長度是100萬秒差距,這樣的尺度,也是整個宇宙大社會中的一個中級機構——星系團(星系往往喜歡聚集成團 ,我們銀河係處在室女座星系團中)的尺度。

相距100萬秒差距的兩個星系彼此的遠離速度,就可以定量描述哈勃的發現。 哈勃的學生、他的學術繼承人桑德奇後來把這個量定義為哈勃常數。 普朗克衛星的最新觀測結果表明,宇宙現在的哈勃常數是67.8公里/秒·百萬秒差距。

讓我們來計算一下哈勃時標。 如果宇宙是勻速膨脹的,那麼兩個星係從宇宙剛開始就以67.8公里每秒的速度分離,到現在相距100萬秒差距,所用的時間即為宇宙現在的年齡。 我們把這個年齡叫做哈勃時標,根據最新的觀測其大小是145億歲。

如果宇宙中只有物質,即只有萬有引力,則宇宙在萬有引力作用下從開始到現在一直在做減速膨脹,越早期膨脹速度越大,那麼宇宙的真實年齡比哈勃時標145億歲要小;如果 宇宙只有暗能量,即只有斥力,則宇宙在斥力作用下從開始到現在一直在做加速膨脹,那麼宇宙的真實年齡比145億歲要大。 根據目前的觀測和宇宙學模型,宇宙的真實演化是介於以上兩種簡單情況之間,在早期是萬有引力為主,在最近50億年是暗能量逐漸占主導。

因此,哈勃時標可以作為宇宙真實年齡的一個參考(可能是下限,也可能是上限)。

四、宇宙最終將進入“腦死亡”狀態

宇宙現在處於什麼時期?對這個問題,紫金山天文台吳雪峰博士笑答,“宇宙現在或許處於中青年時期。”

有一天,宇宙中的任何星係都會老去。 比如太陽老年的時候,會發生塌縮,最終變成白矮星。 太陽變成的白矮星,和地球差不多大。 “別看它現在的半徑是地球的700倍,但太陽死後,和地球一樣大。”

而比太陽大大約8倍的恆星,死後變成中子星。 “中子星的半徑大約是10公里。”

質量是太陽大約20倍的恆星,死後會變成黑洞。 質量是太陽140~280倍的恆星,死後炸得四分五裂……但最終有一天,所有的星係都將不再有新生和死亡。 如果用人類生命體徵來比擬,就是“腦死亡”。

五、宇宙微波背景輻射

最新數據顯示宇宙的年齡是138.2億歲

宇宙大爆炸之後約38萬年,複合時代開始。 此時,宇宙溫度降低到4000℃左右,絕大多數自由電子和質子結合在一起形成中性氫。 由於參與散射的自由電子急劇減少,宇宙背景輻射光子獲得“自由”。 人類能夠探測到最古老的輻射就是從此時開始。 這些宇宙背景輻射在宇宙138.2億年的不斷膨脹中逐漸損失能量,但其完美“黑體”輻射譜型保持不變,形成我們目前探測到的溫度為2.725開爾文(零下270.42℃)的宇宙微波背景輻射 ,其主要輻射波段是微波。

微波背景輻射是宇宙大爆炸模型精確預言的結果,最初是由貝爾實驗室兩位工程師於1970年代無意中發現。 宇宙大爆炸模型不僅預言了微波背景輻射,同時預言了背景輻射各向異性,即不同方向上背景輻射溫度有微小起伏(10萬分之一)。

1989年上天的COBE衛星首次通過觀測證實了背景輻射各向異性。 其後的飛去來器氣球試驗(Boomerang)和WMAP衛星進一步證實了這一點。

各向異性輻射起源於宇宙的原初擾動,這種擾動是宇宙從完全均勻的物質分佈到大尺度結構形成,包括形成我們現在觀測到的星系團、星系的種子。 原初擾動在物質中傳播產生重子聲波震盪,從而造成我們在微波背景輻射上看到的各向異性和角功率譜。 擬合微波背景輻射的角功率譜等觀測,可以得到宇宙的幾何結構、物質成分、年齡等基本宇宙學參數。 目前人類已經進入了精確宇宙學時代。

此次公佈的分析結果基於普朗克衛星上天開始工作的最初15.5個月中獲得的觀測數據。 來自歐洲、美國和加拿大的科學家共同組成科學組對觀測數據進行了分析,繪製出了迄今最精確的宇宙微波背景輻射圖景,得到的宇宙年齡為138.2億歲。

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