革命 宇宙18|138亿岁?这年龄是怎样算出来的?( 二 )


Ⅰa型超新星能被当作标准烛光使用 , 是因为它的亮度很高 , 爆发时可以超过整个星系的亮度 , 其次是所有的Ⅰa型超新星爆发的时候 , 它的本征亮度都是一样的 。
因为1a型超新星爆发的机理非常的规律 , 听说过钱德拉塞卡极限吧 。 说的是 , 当一颗白矮星偷伴星的氢气 , 使他的质量达到1.4倍太阳质量的时候 , 就会点燃核心的氦聚变 , 发生爆炸 , 这就是1a型超新星 。
因此所有的1a型超新星本征亮度都一样 , 我们可以测量它的视亮度 , 利用简单的平方反比关系就能知道它和我们之间的距离了 。
除了1a型超新星以外 , 还有一些其他的测距办法 , 科普的话一般很少会提到这些 , 比如图里-费舍尔关系法、法贝尔-杰克逊关系法 , 表面亮度波动法等等这些办法 , 他们测量的距离通常在数十亿光年 。
【革命|宇宙18|138亿岁?这年龄是怎样算出来的?】现在看到的这张图片是哈勃太空望远镜观测的结果 , 其中的测距办法就是我上面说的那几种 , 测量的距离比哈勃当年测量的距离远了几百倍 。
就目前来说 , 我们已经把哈勃膨胀率修正到了每百万秒差距每秒68千米 , 误差正负4千米 。 那说了这么多 , 这跟宇宙的年龄有啥关系?
有关系!你想一下 , 我们的宇宙是从一个点爆开的 , 现在距离我们326万光年的星系 , 它的退行速度是每秒68千米 , 好 , 那我问你一个问题 。
一个退行速度每秒68千米的星系从银河系的身边 , 跑到326万光年 , 需要多长时间?这不就是简单的小学应用题吗?确实是这样的 , 哈勃膨胀率可以告诉我们宇宙的年龄 , 就是哈勃膨胀率的倒数 , 也就是1除以哈勃膨胀率就是宇宙的年龄 。
但问题是这样计算的前提是 , 宇宙需要一直保持匀速膨胀的状态 , 也就是从宇宙诞生到现在哈勃膨胀率一直是一个常数 。
很显然 , 真实的宇宙并不是这样的 , 我们宇宙的膨胀率受到了其中能量存在的形式 , 以及含量的影响 , 说白了就是宇宙中到底都有些什么?这些东西占宇宙能量形式的比例是多少?
很显然 , 我们的宇宙中有普通物质 , 也就是有质子、中子、电子组成的物质 , 然后我们通过观察星系、星系团的质量 , 旋转方式 , 大尺度结构的聚集形式 , 知道了其中还有一种看不到的 , 可以产生引力的物质 , 叫暗物质 。
通过测量宇宙今天的膨胀状态 , 我们发现宇宙在加速膨胀 , 加速就意味着有一种能量在对抗着万有引力 , 所以我们认为宇宙中还有一种看不见的能量形式 , 叫暗能量 。
所以我们根据CMB宇宙微波背景辐射、SNe超新星数据、BAO重子声学振荡 , 综合观测的结果发现 , 我们宇宙的能量形式包括 , 68%暗能量 , 27%暗物质 , 4.9%普通物质 , 0.1%的中微子 , 大约0.01%的辐射粒子 。
这些能量形式除了暗能量以外 , 都在阻碍着宇宙的膨胀 , 所以我们认为在早期的宇宙中 , 我们经历很长一段时间的减速膨胀的状态 , 因为在当时宇宙的体积很小 , 辐射和物质的能量密度要高过与暗能量的能量密度 。
所以在减速膨胀的那段时间 , 宇宙有辐射和物质主导 , 一直处在减速膨胀的状态当中 , 正因为如此 , 宇宙才在数十亿年间形成了恒星、星系、星系团等等这些大尺度结构 。
但是辐射和物质有一个特点 , 他们会随着宇宙的膨胀密度降低 , 但暗能量并不会这样 , 所以在宇宙膨胀到一定的尺度以后 , 暗能量的密度就开始反超物质密度 , 掌控了宇宙的膨胀 , 使得宇宙从诞生后的减速 , 变成了加速状态 。 这个时间大约发生在50亿年前 。
我们现在知道了宇宙的组成成分 , 它们的比例 , 以及它们如何影响宇宙的膨胀历史 , 然后在通过测量今天的膨胀率 , 我们就能大致的算出宇宙的年龄大约就是138亿年 。
当然 , 这个过程超级复杂 , 这都是大量的科学团队发了大量论文以后确定的 , 不是一篇科普文章能够讲清楚的 , 当然以我的能力 , 我具体也说不清楚其中的细节 , 这都是科学家的事 。
但我说的总体上的科学方法是没有问题的 , 绝对够得上是正确的科普 。 其实科学家对它们算出来的宇宙年龄也不放心 , 因为在推导的过程中存在很多的不确定的因素和猜测 。
所以它们必须找一个办法来验证宇宙的年龄 , 就是宇宙中的恒星!恒星大约出现在宇宙诞生以后的几亿年间 , 所以宇宙中最古老的恒星其实跟宇宙的年龄都差不多 。
现在我们观察一个星团 , 把其中所有的恒星根据它亮度和颜色进行归类 , 也就是放在一个坐标图中 , 根据大量的数据点 , 你就会发现一个简单明了的关系 。

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