渺滄海之一粟的人類,透過科學的力量,探尋宇宙芳齡幾何

天體物理學家告訴我們,宇宙已經有138億的高齡了,但是他們如何得知的呢?本篇科普文章將為我們解釋如何從古老恆星和宇宙大爆炸遺留的殘餘輻射來確定宇宙的年齡。

渺滄海之一粟的人類,透過科學的力量,探尋宇宙芳齡幾何

我們的宇宙距今已有138億年的高齡,這一時間尺度比影響我們人生的千百年相關的時間跨度還要長得多。所以,天文學家們怎麼探索到那麼久遠的年代?

古老恆星

宇宙,很容易理解,肯定至少比我們所能探尋到的最古老的恆星都要古老。因此,最直接的宇宙年齡測試方法就是去“捕捉”古老恆星。

同星群、星團的恆星都是同時誕生的,透過尋找星團的星分支點的方式可以最準確地追溯星團年齡。恆星生命中最長的階段就是持續燃燒氫。在這個階段,恆星(處於主序階段)遵循溫度和亮度之間的相關性。換句話說,恆星溫度越高就越亮。

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一旦恆星的氫燃燒殆盡,溫度就開始降低,也就結束了主序階段關係成為超巨星、白矮星甚至黑洞。根據我們對恆星演化的知識,天文學家可以預估某些種類的恆星在主序期間持續燃燒氫的時間長短。我們的太陽,一顆質量相對較低的恆星,持續燃燒氫氣50億年之久,並且還要繼續燃燒40至50億年之久。儘管質量更大的恆星有更多的燃料需要燃燒,但是它們在主序期停留時間更短,因為燃料消耗得更快。

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隨著星團的年齡的增長,質量最大的恆星最先離開主序期,接下來是質量較小的恆星。因此,觀察相對較年輕的星團可以展現所有種類的恆星走完整個主序期。較古老的星團將呈現的是一個不完整的主序期,因為大多數質量大的恆星已經耗盡了自身的氫燃料並“駛離”了主序階段。

仍處於主序期(即:仍在燃燒氫氣)的質量大的恆星是星團年齡的上限。觀測到的最古老星團可追溯到110至130億年之間。

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白矮星

在之前一集中,我們討論過瀕死恆星生命的最後階段以及像我們的太陽一樣的低質量恆星如何演化為白矮星。白矮星是非常緻密的天體,就相當於太陽的質量壓縮成地球的大小。一小茶匙的白矮星物質有15噸重!

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由於白矮星不再透過核聚變燃燒元素來產生併發射射線,所以就像快要燃盡的火苗一樣慢慢冷卻。因此,白矮星的溫度能告訴我們白矮星冷卻所用的時間,也給出了一個年齡上下限區間。據哈勃空間望遠鏡的觀察發現,最古老的白矮星年齡大約在120-130億年。

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宇宙微波背景(CMB)的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)成像

儘管透過古老恆星迴溯宇宙歷史是個很重要的確認方式,最直接的測定年齡源自宇宙大爆炸的殘餘放射射線,也就是宇宙微波背景射線,簡稱CMB。

簡而言之,我們的宇宙隨著時間的流逝而膨脹,我們和我們銀河系外的鄰居之間空間越來越大。我們把時間撥回,將宇宙膨脹逆轉,透過CMB對相關資訊的解密,可以測定宇宙膨脹持續了多久。

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宇宙微波背景敷設(CMB)是宇宙大爆炸時期產生的輻射,在不到一秒的時間內,奇點開始高密度、高溫度、高壓力的結合,後來膨脹冷卻後形成了我們今天所觀察到的宇宙。宇宙微波背景輻射(CMB)在漫長旅途過程中顯著冷卻,但依舊隱含宇宙大爆炸的資訊。因此,宇宙微波背景輻射(CMB)也給我們提供宇宙之初的圖景,給萬物之初現場發生了什麼拍張快照。

宇宙年齡和三個宇宙學引數息息相關,這三個引數共同描繪宇宙的膨脹過程。

宇宙膨脹的速率,也就是哈勃常數。

宇宙中正常物質和暗物質的密度(即有多少會膨脹的物質)。

宇宙常數,一個與膨脹加速度相關的引數。

根據空間探測器如WMAP(威爾金森微波各向異性探測器)和Planck(普朗克)衛星所呈現的精確地圖,宇航員和物理學家們得以測量這些引數。透過這些分析,可以確定預估的宇宙年齡在Lambda冷暗物質理論框架,包括我們對宇宙成分的理解。

這個探尋宇宙芳齡的方法指向了138億年,上下3700萬年。這些不確定的誤差部分在整個138億年中相對不值一提,源自三個宇宙學引數測量過程中的不確定因素。

從觀察者的角度上來說,我們太陽系的年齡僅有45億年。同位素和太陽系同時創造,如鉀元素和鈾元素,為探尋太陽系年齡提供了線索。這些同位素經歷了放射性衰變,因而,提供了非常精準的測量自其形成以來時間的流逝。

宇宙微波背景輻射(CMB)確定的年齡與最古老的星團和白矮星計算的最小年齡一致,這一事實告訴我們天文學家,我們走的是正確的軌道。不過,請記住,我們將宇宙的年齡定義為大爆炸以來經過的時間。我們的觀測證據都不能告訴我們大爆炸之前可能發生了什麼——一個理論天體物理學家甚至哲學家,而不是觀測天文學家,更能回答這個問題。

參考資料

1。WJ百科全書

2。天文學名詞

3。 初晞-quickanddirtytips-Sabrina Stierwalt

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