2013年3月21日,欧洲航天局公布了宇宙的精确年龄已有138.2亿岁。
这个精确结果是由证实了“宇宙标准模型”的“哈勃定律”计算而来,而“哈勃定律”是美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Harbert)在1929年由观察到的星系红移后总结的。
五花八门的宇宙模型
宇宙是神秘莫测的,科学家们为了知道宇宙的过去、未来以及它的年龄,建立了一个又一个的“宇宙模型”,在“宇宙标准模型”建立之前曾有过“牛顿宇宙模型”、“等级宇宙模型”以及“稳恒态宇宙模型”。
然而,在“牛顿宇宙模型”、“等级和稳恒态宇宙模型”中,宇宙年龄是没有意义的。
为什么这样说?
在“牛顿宇宙模型”中,物理空间是绝对的,宇宙密度是均匀的,在宇宙任意地方看宇宙都是对称的,过去与未来通过物理定律就能计算出来。但很快被爱因斯坦的“相对论”打破了。
而“等级宇宙模型”是由18世纪的德国物理学家郎伯特提出。他将太阳系一类的恒星系分为第一等级;比太阳系大得多的星团为第二等级;银河系之类的大型星系为第三等级;往上可以有无限等级。这是按空间大小划分的,没有宇宙年龄之说。
“稳恒态宇宙模型”是1948年由英国科学家邦迪、霍伊尔和戈尔德等人提出。他们认为宇宙的密度是均匀同向性的,并时刻都在无中生有产生物质,就是为了填充宇宙膨胀时扩张的空间,来达到太空中密度的均衡。这在现在看来很荒谬,因为它违背了守恒定律,也不能解释宇宙微波背景辐射。
宇宙大爆炸的标准宇宙模型
目前为止,科学家普遍认可的是1948年由伽莫夫和勒梅特提出的“宇宙大爆炸论”的标准宇宙模型(ΛCDM)。
“宇宙大爆炸论”的雏形在1922年就被苏联数学家弗里德曼首次提出,他在解爱因斯坦“引力场方程”时得到了均匀、各向同性的动态大尺度宇宙时空度规。
1927年,比利时天文学家勒梅特将弗里德曼的宇宙度规当做一个模型进行研究,得到了一个空间随时间而膨胀的宇宙模型。
同一年,美国天文学家哈勃观测到了星系红移现象,说明了宇宙中的各星系正在互相快速远离,这个发现验证了勒梅特的宇宙膨胀说。1929年哈勃在持续观测宇宙星系红移后,总结出来“哈勃定律”,即来自“遥远星系光线的红移速率与各星系的距离成正比”,这个比值就是“哈勃常数”,它的方程式是V=H0D(V是星系的红移速率,H0是哈勃常数,D是星系与观察者的距离)。
1932年,勒梅特根据“哈勃定律”,并基于“广义相对论”,提出了“宇宙起源于原始原子的灾变性爆炸”的假说。俄罗斯宇宙学家伽莫夫由此受到启发,与勒梅特在1948年共同提出了“宇宙热大爆炸论”。
1964年,美国的天文学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊无意中观察到了遍布宇宙空间的3K微波背景辐射,说明宇宙正在冷却,它是由一个非常炙热的物质密集点暴胀而来,这些辐射就是原始炙热宇宙在空间暴胀后的余热(老式电视机也能接收到)。这是继“哈勃定律”之后再次给“宇宙大爆炸论”提供了有力的观察证据,并且后来观测到的宇宙元素丰度与2014年观察到的“原初引力波”等各项观测事实都证明了“宇宙大爆炸论”的正确性,于是科学家们将这个理论确定为“标准宇宙模型”。
根据证实了“标准宇宙模型”的哈勃常数不难计算出宇宙的年龄。
哈勃常数与宇宙年龄
由上文我们已经知道“哈勃常数”是星系红移速率与距离之间的比值,如果沿着星系远离的时间轴就能回到宇宙大爆炸的起始点,也就是根据这个比值计算出宇宙年龄(前提是宇宙大爆炸后膨胀速度不变)。由哈勃定律v=H0D可知,星系的距离除以星系红移速度就是宇宙膨胀的时间,那么哈勃常数的倒数也就是宇宙膨胀的时间(哈勃时间),可以认为是宇宙的近似年龄,表达公式是:tH=1/H0。
而哈勃常数H0的值越大,宇宙的膨胀速度越快,那么宇宙的年龄就越年轻,因此宇宙年龄是否精确,就要看哈勃常数的测量是否精准。
然而由于观测方法的不同,哈勃常数就出现了不同的数值。哈勃自己在1931年测量的是500km/s/Mpc(读作500千米每秒每百万秒差距),也就是一个星系距离地球每增加百万秒差距(约326万光年),这个星系远离地球的速度就增加500km/秒。如果以此数值推算,宇宙的年龄只有约几十亿年,而地球的年龄都有46亿年。显然他测量的哈勃常数误差太大。
目前为止,哈勃常数的观测方法有“三角视差法”、“宇宙微波辐射法”和“标准烛光法”等。三角视差法是一种古老的物理测距法,是以两眼距离为基线,手指与两眼之间的夹角为视差角,然后根据三角公式计算出天体距离。这个测距法仅限于银河系内,如果在银河系之外就会出现很大的误差。
“宇宙微波背景辐射法”是根据宇宙微波背景辐射记录下来宇宙初期光谱细微的密度扰动的信息,然后用理论计算出宇宙膨胀的尺度。这种测量法得到了一个67.8km/s/Mpc左右的精确数据,由此推算的宇宙年龄大约是137~138亿年。
“标准烛光法”是用宇宙中的“红巨星”的亮度与运动来测量,红巨星与其它恒星不同的是它有明显的边缘。芝加哥大学的天文学家弗里德曼和他的团队用这个方法测得哈勃常数的值是69.8km/s/Mpc。这也是个精确的数值,与“宇宙微波辐射”的数值很接近,推算的宇宙年龄略显年轻1亿年左右。
那么,2013年欧洲航天局公布138亿年的宇宙年龄是怎么测量哈勃常数的呢?
他们是由“普朗克太空卫星”观测到的“宇宙微波背景辐射全景图”测量的哈勃常数推算出来的。
“普朗克太空卫星”在2009年发射,主要就是观测古老的宇宙微波背景辐射,它比美国的“宇宙背景探测器COBE”和“威尔金森WMAP探测器”更为精确。在2013年3月发布的宇宙背景全景图是前15个半月持续收录的数据绘制而成,此图几乎完美地验证了“宇宙标准模型”,它展现了宇宙大爆炸38万年后的情景。此图除了让科学家重新认识到宇宙中的暗能量占不到70%宇宙总质量,也修正了哈勃常数为67.15km/s/Mpc,由此推算出迄今为止宇宙最精确的年龄是138.2亿年。
当然,宇宙年龄除了利用测量“哈勃常数”来推算,也可以通过测算跟宇宙差不多古老的恒星年龄来衡量宇宙年龄。在2013年,美国宾夕法尼亚州立大学的天文学家就公布了测算了10年的一颗遥远恒星已有144.6亿年,但这个数据的误差有8亿年。所以,科学家都认可的宇宙年龄是欧洲航天局公布的138.2亿年。