宇宙有138亿年的历史怎么算出来的

毫无疑问,宇宙自宇宙大爆炸以来已经存在了138亿年,而且科学家们对这个数字非常有信心。事实上这个数字的不确定性(误差)不到估计年龄的1%。但在过去一直是错误的(过去有很多宇宙年龄的数据,如200亿岁,150亿岁,137亿岁,30亿岁等等),现在最精确的138.17亿岁可能又错了吗?

如果你看得足够远,能看到的最远的时间是138亿年:我们对宇宙年龄的估计,但这是正确的吗?图片:NASA / STScI / A. Felid

开尔文勋爵估计太阳的年龄在20到4000万年之间,因为他的模型没有(不)包括量子力学和相对论。当我们观测宇宙的时候是否有可能犯类似的错误?让我们来看看历史问题,然后跳到现代的情况去了解更多吧。

估计宇宙的时间,星星群、恒星和星云在我们银河系是很有用的,但是如我们缺乏了解恒星的过程导致了我们的太阳系的年龄估计错误,是否也会弄错宇宙的年龄呢?图片:ESO / VST survey

在19世纪末关于宇宙的年龄存在着巨大的争议。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)从生物学和地质学的研究中得出结论,如果不是几十亿年的话,地球本身至少要有几亿。但凯尔文爵士看恒星是如何运行得出的结论是:太阳本身需要更年轻。他所知道的唯一反应是化学反应,如燃烧和重力收缩,后者最终证明了白矮星的能量是如何得到的,但要放出那么多的能量,就相当于太阳的生命周期只有数千万年。

从太阳太阳耀斑,到远离我们的恒星抛射物质,进入太阳系是微不足道的核聚变的质量损失降低了太阳的总质量的0.03%的起始值:损失相当于土星的质量。然而在我们发现核聚变之前无法准确地估计出太阳的年龄。图片:NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC

当然,几十年后随着核反应的发现以及爱因斯坦的E = mc2在太阳中发生的氢聚变的应用,这个问题得到了解决。当充分计算后才意识到太阳的生命周期将会在10 – 120亿年间,而我们太阳系的存在已经有45亿年了。太阳的年龄(来自天文学),地球(来自地质学),生命(来自生物学)都排列成连贯一致的图像。

太阳、地球和地球上的生命历史都有一个稳定的时代,但在19世纪末期地球年龄的证据表明它明显比太阳大(但这是错误的)。图片:ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA

有两种方法来计算今天宇宙的年龄:观察单个恒星和星系的年龄,并研究膨胀宇宙的物理学。恒星本身是不那么精确的度量,因为我们只能在一瞬间看到它们,然后再推断恒星的演化倒退。这在拥有大量恒星数据的时候很有用,比如球状星团,但对单个恒星来说更困难。这种方法很简单:当大量的恒星聚集在一起时,它们的大小和颜色各不相同,从热的、大的和蓝色的,到冷的、小的和红色的。随着时间的推移更大的恒星燃烧它们的燃料的速度是最快的,所以它们开始演化,直到死亡。

因此如果观测到幸存者,就可以确定恒星的年龄。许多球状星团的年龄超过120亿年,有些甚至超过130亿年。随着观测技术和能力的进步不仅测量了单个恒星的碳、氧或铁含量,而且还利用了铀和钍的放射性衰变丰度,结合宇宙中第一个超新星产生的元素,我们可以直接追溯到它们的年龄。

SDSS J102915 172927是一颗古老的恒星,它的重量只有太阳所拥有的重量的1 / 2万,它的年龄应该超过130亿年——宇宙中最古老的恒星之一,甚至在银河系之前就已经形成了。图片版权:ESO, Digitized Sky Survey 2

这颗恒星的质量约为太阳质量的80%,它只含有0.1%的太阳铁元素,而且它的放射性元素丰度达到了132亿年。在2015年一组九恒星银河系中心附近被追溯到135亿年前形成,大爆炸之后仅仅300000000年,银河系的初始形成之前,其中一个有不到0.001%的太阳铁:有史以来最原始星。有争议的是有一颗玛士撒拉星,它的出现在144.6亿年的时间里,尽管存在着大约8亿年的不确定性。

我们宇宙未来的四个可能的命运:最后一个似乎是我们生活的宇宙由暗能量主导。宇宙中存在的东西以及物理定律,不仅决定了宇宙的发展,也决定了宇宙的历史。图片:E. Siegel / Beyond The Galaxy

通过测量今天的宇宙,距离物体的移动距离,以及它们在附近的距离,在中间的距离,以及最大的距离,科学家们就可以重建宇宙的膨胀历史。现在知道我们的宇宙由大约68%的暗能量、27%的暗物质、4.9%的正常物质、0.1%的中微子和0.01%的辐射组成。我们也知道这些成分是如何随着时间演变的,宇宙遵循广义相对论的定律。把这些信息结合起来,形成一个单一的、引人注目的宇宙起源的图景。

在几秒钟内宇宙是一团电离粒子和反粒子,最终冷却并允许在几分钟后形成剩余的原子核。38万年后第一个稳定的中性原子形成。在几千万到几亿年间引力将这个物质聚集到恒星和星系中。在数十亿年的时间里,星系融合在一起,形成了我们今天所看到的宇宙。从各种来源收集的数据,包括宇宙微波背景,星系的大规模聚集,遥远的超新星,重子声学振荡,到达了一个单一的,引人注目的图景:一个已经有138亿年历史的宇宙。

整个已知宇宙的宇宙历史表明应该从它的所有物质的起源,以及所有的光,最终到宇宙膨胀的到结束和从炙热的大爆炸的开始,从那时起已经经历了138亿年的宇宙演化,这是由多个来源证实的图像。图片:ESA and the Planck Collaboration / E. Siegel (corrections)

有一些不确定因素,维基百科引用我们的宇宙是13.799±00.21亿岁了。如果在某个地方有一个系统性的错误,那么2100万年的不确定性很容易得到5到10倍。目前关于膨胀率(哈勃常数)目前存在争议,CMB表示它接近67公里/ s/ Mpc,而恒星和超新星指向更接近74公里/秒/ Mpc。在暗物质/暗能量组合中存在不确定性,有些测量的比例为1:2,而另一些则为1:3或介于两者之间。根据这些谜题的分辨率,可以想象宇宙可能会像137亿年那样年轻,或者高达140亿岁。

测量宇宙膨胀历史的一种方法是,回到我们能看到的第一束光,那时宇宙只有38万年。另一种方法不会倒退到很远的地方,但也有可能被系统错误所污染。图片:European Southern Observatory

然而不太可能的是,这个138亿年前的数字将会有一个重大的修正。即使有比我们所知道的力、粒子和相互作用更基础的物理,它们也不太可能改变恒星如何运作的物理学,如何随着时间的推移而运作,宇宙如何膨胀,以及辐射/物质/暗能量如何构成我们的宇宙。这些事情都是有差异的,受约束的,而且正如人们所理解的那样,即使暗能量演化,像G、c或h等基本常数随着时间变化,或者标准模型粒子可以进一步分解,宇宙的年龄也不会从大爆炸到现在的改变。

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