【原】我們?cè)趺礈y(cè)量宇宙的年齡和大??？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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圖解：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在1996年和1997年拍攝的星系NGC4603的圖像。天文學(xué)家利用這個(gè)星系中近50個(gè)造父變星確定了它距我們1.08億光年遠(yuǎn)。這是在HST項(xiàng)目中用來確定哈勃常數(shù)值的最遙遠(yuǎn)星系。

（來源：Jeffrey Newman（加州大學(xué)伯克利分校）和NASA）

天文學(xué)家估計(jì)，大爆炸發(fā)生在100到200億年前。他們通過兩種方式來估測(cè)宇宙的年齡：（a）尋找最古老的恒星；（b）測(cè)量宇宙的膨脹率來推斷宇宙大爆炸時(shí)間。

最古老的恒星

天文學(xué)家通過研究球狀星團(tuán)來計(jì)算宇宙中一些古老恒星的年齡。球狀星團(tuán)是由近百萬(wàn)顆幾乎在同一時(shí)間形成的恒星組成的密集星團(tuán)，球狀星團(tuán)中心附近的恒星密度是很大的，如果我們生活在一個(gè)球狀星團(tuán)的中心，將會(huì)有幾十萬(wàn)顆恒星比半人馬座阿爾法（目前最接近我們的恒星）更接近我們。

恒星的生命周期取決于它的質(zhì)量，高質(zhì)量恒星比低質(zhì)量恒星亮得多，因此它們會(huì)很快燒盡氫燃料。像太陽(yáng)這樣的恒星，其核心有足夠的燃料以目前的亮度燃燒大約90億年。一顆質(zhì)量是太陽(yáng)兩倍的恒星將在8億年內(nèi)耗盡其燃料。一顆10倍于太陽(yáng)質(zhì)量的恒星燃燒的亮度幾乎是太陽(yáng)質(zhì)量的1000倍，并且只有2000萬(wàn)年的燃料供應(yīng)。相反，一顆質(zhì)量只有太陽(yáng)一半的恒星，其燃燒速度很慢，足以維持200多億年的能量。

因?yàn)橥恍菆F(tuán)中的恒星都在幾乎同時(shí)間形成，這些星群可以作為宇宙鐘使用。如果一顆星團(tuán)年齡超過1000萬(wàn)年，那么其以氫為燃料的恒星的質(zhì)量總和都將比10個(gè)太陽(yáng)系的質(zhì)量小。這意味著沒有單個(gè)的氫燃燒星要比太陽(yáng)還要亮1000倍。如果一顆星團(tuán)的年齡超過2萬(wàn)億年，那么其以氫為燃料的恒星的質(zhì)量總和就不會(huì)比將比2個(gè)太陽(yáng)系的質(zhì)量大。

古老的星團(tuán)中只有質(zhì)量比0.7個(gè)太陽(yáng)系小的恒星。這些低質(zhì)量的恒星比太陽(yáng)還要小，意味著古老星團(tuán)的年齡在11到18萬(wàn)億年之間。此預(yù)測(cè)中的不確定性是由于難以確定一個(gè)星團(tuán)的確切距離（也就是星團(tuán)中恒星的亮度和質(zhì)量的不確定性）。另一個(gè)不確定性來源于我們對(duì)星球演化的一些細(xì)節(jié)一無(wú)所知。

推演大爆炸

估計(jì)宇宙年齡的另一個(gè)方法是測(cè)量“哈勃常數(shù)”，哈勃常數(shù)（H0）是測(cè)量宇宙當(dāng)前膨脹率的一個(gè)尺度。宇宙學(xué)家使用這一測(cè)量方法推演宇宙的年齡，這一推演法取決于當(dāng)前宇宙的密度和宇宙的組成。

如果宇宙是平坦的并且多物質(zhì)，那么宇宙的年齡是2/（3h0）。如果宇宙的物質(zhì)密度非常低，那么它的推測(cè)年齡是：1/h0。如果能在廣義相對(duì)論中添加一個(gè)宇宙常數(shù)的話，所推斷的宇宙年齡甚至可以更大。

天文學(xué)家正在嘗試不同技術(shù)來測(cè)量哈勃常數(shù)。目前最佳H0估計(jì)為50 km/s/百萬(wàn)秒視差到100 km/s/百萬(wàn)秒視差。用更熟悉的單位來說，天文學(xué)家估測(cè)1/h0為10億至20萬(wàn)億年。

如果我們對(duì)比兩個(gè)量值，就會(huì)發(fā)現(xiàn)潛在的危機(jī)。如果天文學(xué)家估計(jì)1/H0是10萬(wàn)億年是對(duì)的，那么宇宙的年齡將比其古老星球的年齡短。這一矛盾意味著，宇宙大爆炸的理論是錯(cuò)誤的，或者我們需要在廣義相對(duì)論中添加一個(gè)宇宙常數(shù)來解決這一矛盾。

有些天文學(xué)家相信，這個(gè)危機(jī)將會(huì)隨著我們測(cè)量精準(zhǔn)度的提升而消失。如果天文學(xué)家測(cè)量1/H0的最大值是正確的，而星團(tuán)年齡的最小估計(jì)值也正確，那么，宇宙大爆炸理論是仍可以站住腳的。