天文|年龄神秘的宇宙,难以捉摸的哈勃常数,宇宙之谜能否揭开?

简介:最新的研究表明宇宙已存在137.72亿年 。 通过ACT科学家能够确定年轻宇宙的许多行为 , 包括其年龄 。 结合威尔金森微波各向异性探测器(或WMAP)的结果 , 他们的年龄为137.7亿岁 。
宇宙可能已存在137.7亿年 。 也可能稍小于这个数值 , 我们不能确定 。

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发表的两篇论文表明宇宙已经存在137.772亿(±390亿)年 。
多酷!这与早期以类似方法测量的宇宙年龄一致 。 这也很酷 。
但也有不酷的地方 , 这似乎并没有减少因不同测量方式产生的差异 。 不同的测量方式得出了一个与之小了几亿的年龄 。 这看起来也许不是个大事 , 但这真的是个大问题 。 两组方法应该测量出一样的年龄 , 但并没有 。 这意味着我们忽略了宇宙的一些基本问题 。

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我们使用智利的阿塔卡玛宇宙望远镜(ACT)做了新的观测 。 它是一个六米长的蝶形望远镜,对光谱介于红外线和无线电波之间微波部分的亮度很敏感 。 当宇宙还很年轻时 , 它特别炎热且密实 , 但是大约在宇宙大爆炸38万年之后 , 它因冷而变得透明 。 那时 , 它和太阳表面一样炎热 , 它发出的光或多或少已经成为光谱的可见部分 , 为我们肉眼可见 。

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但是宇宙自那时起已经膨胀了很多 。 这些光在到达地球时已经损失了很多能量来对抗膨胀 , 也发生了红移(光谱的谱线向红端移动) , 即波长变得更长 。 它现在位于光谱的微波部分 。 它到处都是 , 存在于天空的每个部分 , 所以我们把它叫做宇宙微波背景 , 简称CMB 。

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大量的信息被储存在光中 , 所以在宇宙刚38万岁时 , 我们就可以通过ACT(阿塔卡玛宇宙望远镜)观测天空 , 估量宇宙的状况 。
ACT(阿塔卡玛宇宙望远镜)观测范围有15000平方度 , 超过了整个天空的三分之一!通过观测约5000平方度的范围 , 他们能够确定还年轻的宇宙的许多行为 , 包括它的年龄 。 结合威尔金森微波各向异性探针(简称WMAP)的结果 , 他们得出了宇宙137.7亿的年龄 。 这也和欧洲普朗克任务的数值相符合 , 该任务同样测量了早期宇宙的微波 。

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阿塔卡玛宇宙望远镜做了关于早期宇宙的一份大调查 , 显示了宇宙大爆炸留下的辐射中微小的温度波动 。 这些变化最终形成了银河、星辰和你 。
他们也能测量宇宙膨胀率 。 20世纪20年代第一次发现了宇宙膨胀 。 天文学家发现离我们越远的物体远离我们的速度越快 。 离我们两倍远的物体仿佛正在以两倍快的速度远离我们 。 这种膨胀率被称为哈勃常数 , 它是用单位距离的速度来衡量的:物体移动的速度与距离的比值 。

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新的观测得出这个常数值为67.6 ±1.1公里每秒每百万秒差距(百万秒差距缩写为Mpc , 是关于天文学的某些方面便利的距离单位 , 等于326万光年;比到仙女座星系的距离远一点) 。 因此 , 由于宇宙膨胀 , 距离我们1Mpc的物体应该以67.6千米每秒的速度远离我们 , 距离我们2Mpc的以135.2千米每秒的速度远离 , 以此类推 。 比这复杂一些 , 但主要就是这样 。

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现在存在着一个问题 。 有很多种方式测量哈勃常数 , 比如观察遥远星系中的超新星、用引力透镜观测、观测遥远星系中的巨大气体云等等 。 很多方法都得到了一个更大的数值 , 大约73 km/sec/Mpc 。 这些数字是相近的 , 让人在某种程度上放心 。 但仍然存在着令人费解的差距 。 它们应该是一致的 , 但它们并不是 。

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他们也得到了宇宙的不同年龄 。 越大的哈勃常数意味着宇宙膨胀得越快 。 基于此宇宙并不需要太多的时间就能达到现在的大小 , 这意味着它更年轻 。 较小的常数则意味着宇宙更古老 。 虽然宇宙膨胀率看起来神秘 , 但它与更基本的宇宙年龄概念直接相关 。 也正是由于难以捉摸 , 两组方法得出了不同的数值 。
哪一个才是对的呢?这是一个很难回答的问题 , 甚至是一个错误的问题 。 更好的问法是:为什么他们不一致?

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很明显 , 这两个方法都是正确的 。 他们测量了宇宙不同的两个部分 。 那些观测宇宙微波背景辐射的人是在宇宙存在不足100万年的时候观测的 。 另一部分人则是在宇宙已经存在几百万年的时候观测的 。 也许膨胀率在那段时间改变了 。
换言之 , 我认为哈勃常数并不是一个常数 。
方法本身也许会有问题 , 但已经用许多方式检验过 , 而且每组都使用了多种不同的方法检验 , 似乎不太可能出现这种情况 。
这显然是宇宙的错 , 而非我们的 。 或者更好的说法是错在我们测量宇宙的方法 。 它在做它该做的 。 而我们只要找出原因 。

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有关该问题已经发表了许多论文 , 毫不夸张地说 , 它是目前宇宙学中最大最棘手的问题 。
仅个人观点 。 获得博士学位后 , 我的第一份工作是简单研究宇宙背景探测器COBE的一个部分 , 通过它观察宇宙微波背景(CMB)并确定了宇宙大爆炸是真的 。 那时的测量是不错的 , 但仍有进步的空间 。 然后威尔金森微波各向异性探测器(WMPA)诞生了 , 再之后是普朗克 , 还有现在的阿塔卡玛宇宙望远镜(ACT) 。 这些测量工具都有难以置信的准确 。 天文学家称其为高精度宇宙学 , 这是一种内部笑话 。 很长一段时间 , 我们几乎没有任何关于这些数值的想法 。

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现在天文学家在这方面是如此地擅长 , 以至于10%的误差都被视作一个巨大的问题 , 而在过去50%的误差都是被认可的 。 看着这个领域随着时代进步是一种真实的快乐 , 因为在这方面我们做得越好 , 我们就可以把宇宙本身作为一个整体理解得更好 。
是 , 我们仍存在问题 , 但都是伟大的问题 。
但是 ,我们怀着他们不久就会被解决的希望 。 因为只要我们付诸实践我们的理解就会取得前所未有的巨大飞跃 。

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BY: Phil Plait
FY: Ella
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