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我们如何知道宇宙是138亿岁老

2024-04-09 12:59阅读：

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我们如何知道宇宙是138亿岁老
宇宙是138亿岁老，追溯回到热大爆炸。但那真的是这个开始并是它的年龄吗？
STARTS WITH A BANG — APRIL 8, 2024
Ethan Siegel
我们如何知道宇宙是138亿岁老

如果你看得越来越远，你也看进过去越来越远。如果星系的数量、这些星系的密度和属性以及其他宇宙属性如宇宙的温度和膨胀率没有出现改变，你就会有一个在时间中是恒定的宇宙的证据；这不是我们看的。Credit: NASA/ESA/STScI/A. Feild
关键要点
如果我们从热大爆炸开始数，我们了解宇宙是
138亿岁老，只有一个非常小（约1%）的不确定性。
但是什么赋予我们来将热大爆炸的开始叫“开始”的权力特别的如果我们现在能自信的陈述先于它有一段宇宙膨胀的周期？
现实是我们必须做出选择，而热大爆炸的开始是我们能最早可以确定关于的事情之一。这里是“宇宙的年龄”的实际意味。
按照热大爆炸理论，宇宙有过一个开端。最初被称为“一个没有昨天的一天”，这是我们已经来接受作为宇宙科学史的一部分的最有争议性、哲学上冲击思维的信息之一。许多叛道者将拒绝接受因为它与某些宗教文本太一致，而其他人——也许更可判断的——指出在宇宙膨胀的现代背景中热大爆炸只作为一个以前纪元的后果发生。
然而，如果你问任何精通我们起源的科学故事的宇宙学家或天体物理学家“我们的宇宙有多老？”你总是会得到同样的答案：138亿岁。为什么会这样，我们什么时候开始算？这就是德尼斯高德想要知道的，他写信询问：
“为什么你在宇宙大爆炸后38万年已经过去后计算宇宙的年龄？”
“大爆炸后38万年”这一时间是特别的令人感兴趣，但很少有人将其标记为宇宙的开始；然而，这是某些重要事情的开始。这里是我们能说关于我们的宇宙真的有多老的。

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梅西尔 69球状星团对即是难以置信的老，有它在宇宙当前年龄的5%（约130亿年前）形成又有一个金属含量非常高为太阳的22%的表明是高度不寻常的。更亮的恒星处于红巨星阶段，刚刚耗尽了它们的核燃料，而一些蓝色恒星是合并的结果：蓝色掉队者恒星。Credit: Hubble Legacy Archive (NASA/ESA/STScI)
你需要来了解的第一件事是自热大爆炸开始以来，有两种不同的测量宇宙的年龄的方法。
我们能发现“我们知道的来测量它的年龄的最古老东西”，并得出宇宙一定至少那么老的结论。
我们能用我们知道关于管理宇宙理论广义相对论的了解，以及我们的宇宙是由什么组成加上它今天正在多快膨胀来计算自热大爆炸开始以来已经多长时间了。.
第一种方法不是一个宇宙多老的准确测量，而是一种理智的检查：宇宙不可能比它之内的东西更年轻，因此当我们发现它之内的东西并测量它们的年龄时，我们得出宇宙一定至少有那么老的结论。
随宇宙学和天体物理学生长出远更古老的天文学和物理学，我们得到非常擅长知道恒星和大量恒星的年龄应该作为不足为奇来到。这里是它如何工作的。

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恒星的生命周期在这里能被在颜色/星等图的背景下理解。就像恒星老化的群一样，它们 “关闭”图表，允许我们追溯问题中星团的年龄。最古老的球状星团，如右图所示的非常最老的星团，有一个超过130亿年的年龄，但许多球状星团也与更老的星团一道展示一个第二个更年轻的星团。Credit: Richard Powell (L), R.J. Hall (R)
无论何时何地恒星诞生时，这每当气体云在它们自身重力作用下充分的坍塌发生，它们以宽范围的大小、颜色、温度和质量而来。最大、最蓝、质量最大的恒星含有最多量的核燃料，但也许矛盾的是，这些恒星实际上是寿命最短的。理由是简单的：在任何恒星的核，只要任何温度超过400万K就会在任何地方发生核聚变，而且温度越高，聚变率就越大。
因此，质量最大的恒星在一开始可能有最多可利用的燃料，但这意味着它们随它们快速燃烧过它们的燃料明亮的照耀。特别是，核中最热的区域将最快的耗尽它们的燃料，导致质量最大的恒星死亡最快。我们有的如何测量“恒星的集合的年龄有多老？”的最佳方法是来检查球状星团，球状星团往往都一下子孤立形成恒星，然后再也不会形成。通过观察剩下的更冷、更暗的恒星（以及缺乏更热、更蓝、更亮、质量更大的恒星），我们能有信心的陈述宇宙一定至少约125-130亿岁老。

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测量回去的时间和距离（在“今天”的左边）能告诉宇宙进入遥远的未来将如何进化和加速/减速。通过将膨胀率与宇宙的物质和能量含量联系起来并测量膨胀率，我们能得出一个自热大爆炸开始以来经过的时间的估计。Credit: Saul Perlmutter/UC Berkeley
同样，我们能采用已知的物理定律如广义相对论并将它们应用于不断膨胀的宇宙。这造成一组方程——弗里德曼方程——这些方程将宇宙在它的历史上已经多膨胀的与它今天多快膨胀以及宇宙内部存在的各种形式的能量联系起来。当我们采用可利用的最佳数据集时包括由大爆炸遗留的光组成的宇宙微波背景（CMB），以及从我们已经收集的所有大尺度聚类数据，我们得到一个简单的向我们揭示我们宇宙的历史的答案。
我们发现宇宙是由以下组成的：
68%的暗能量，
27%的暗物质，
4.9%正常物质，
0.1%的中微子，
0.01%的光子，
而不是一个任何东西可评价的量。我们还发现它以一个67 km/s/Mpc的速度膨胀，当我们将所有这些信息结合在一起时，如果我们一路外推回到大爆炸的那一刻揭示一个138亿岁的宇宙。结案了吗？

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这张图显示哈勃常数的哪些值（左，y轴）最拟合来自ACT、ACT+WMAP和普朗克的宇宙微波背景数据。请注意一个更高的哈勃常数是可以接受的，但只以拥有一个更多暗能量和更少暗物质的宇宙为代价。Credit: ACT Collaboration DR4
不完全是。你能做出三种反对意见，每种都有不同程度的实在性。
反对意见1：关于哈勃紧张或者不同的测量方法给出一个膨胀率值为74 km/s/Mpc或者比所引用的值更大9%的这一事实呢？
这是真的：如果我们测量一个来自早期宇宙的印记比如在膨胀的宇宙中，不同的密度最大“峰值”彼此相距多远，我们得到上述宇宙成分的更早期值67 km/s/Mpc。但是，如果这种方法是不正确的或者不是普遍正确的，而我们用的晚时间宇宙距离阶梯方法比如给出74 km/s/Mpc是正确的吗？
你可能认为这会意味一个更年轻的宇宙，因为“更快的膨胀”意味着它用更少的时间将宇宙追溯回到一个在那里所有物质和能量都被收缩到一个单一点的条件。
但原来是按“宇宙的组成”和意味着如果膨胀率是更大9%，迫使我们将以暗物质的代价暗能量的量稍微增加几个百分点的“宇宙正在多快膨胀”各种参数之间有衰退性，暗物质减少大约相同的量。“宇宙的年龄”可能会移变一点，可能会下降到136亿年，但毕竟不很多。“年龄”参数大体上对这些变化是不变的。

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膨胀宇宙的一个视觉历史包括被称为大爆炸的高温致密状态以及随后结构的生长和形成。全套数据，包括轻元素和宇宙微波背景的观测，只留下大爆炸作为我们所看到的一切的一个实在解释。随宇宙膨胀，它也冷却，使离子、中性原子和最终的分子、气体云、恒星，最后形成星系。没有希格斯粒子在非常早期的高温阶段为宇宙中的粒子赋予质量，这一切都已经是不可能的。Credit: NASA/CXC/M. Weiss
反对意见#2：我们应该从38万年算在那里我们观察到宇宙微波背景被发射还是一些其他对应到大爆炸时刻的一个名义“t=0”里程碑？
这是一个有趣的考虑，因为仅在来外推你的数据尽量远回去允许你这个外推是实在的是确定的有意义。然而，有两个原因为什么让我不愿意一路回到宇宙微波背景。
1.我们有两组追溯回到更远的信号：来自大爆炸核合成创造的轻元素丰度，这当热大爆炸起仅3-4分钟已经过去后发生以及来自宇宙中微子背景的信号，将它们自己印记进宇宙微波背景和宇宙的大尺度结构，这些信号当自热大爆起仅约1秒被创造并冻结住。
当我们数回数十亿年时——你知道138亿年——不确定性是在最后一位：138亿中的“8”。如果你离开38万年，或者几分钟或几秒钟你不会注意到要紧的，与138亿数字相比这并不重要的。
2 我们能在时间中追溯回到许多里程碑是真的：第一个星系团、第一个星系、第一颗恒星、第一个中性原子、第一个稳定原子核、第一个质子和中子、第一个大质量粒子等等，但如果我们尽可能早的去我们知道——至少有三个重要数字——“138亿年前”是当热大爆炸开始了时。

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从一种预先存在的状态膨胀预测，随膨胀持续，一系列宇宙将被滋生，每个宇宙与另一个宇宙完全脱节，被更膨胀的空间隔开。其中一个“气泡”膨胀结束了，在大约138亿年前诞生了我们的宇宙，有一个非常低的熵密度，但从未违反热力学第二定律。Credit: Nicolle Rager Fuller
反对意见3：好吧，但宇宙并不真的以热大爆炸开始的；宇宙膨胀先于它。因此为什么不从膨胀开始呢？
现在你正在讲我的语言。这一次也困惑我，因为我知道回到138亿年前到热大爆炸并不相当能带我们回到真正的开始。相反，它带我们回到一个假设，即我们过去认为可能是实在的，但我们确信不再是：你可以外推膨胀和冷却的宇宙回去，利用我们今天有的宇宙的成分到一个我们有过的状态的地方：
任意高温，
任意高密度，
在那里今天我们的直径920亿光年的宇宙都被收缩成一个单一的点。
这种热大爆炸的开始的想法对应于一个奇点，从20世纪20年代当大爆炸首次被设想到时到20世纪70年代曾经一度被视为是一个既定的。但在20世纪70年代，我们开始注意到一些特殊的属性，似乎不与外推热大爆炸到那些任意热、稠密、高能和小状态的概念一致。

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如果这三个不同的空间区域从来没有时间来热化、共享信息或彼此传输信号，那么为什么它们的温度都相同呢？这是宇宙大爆炸的初始条件的问题之一；除非它们不知怎的以那种方式开始这些区域怎么都会获得相同的温度？Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy
例如，我们看到宇宙空间上是平坦的：就好像膨胀率以及宇宙中物质和能量的总量被完美的平衡，一直到原子。这在大爆炸的范式内当然是可能的，但绝不是可以预测的。我们还看到自热大爆炸开始以来，宇宙有过相同的属性包括温度和密度在不能与彼此已经交流或交换信息的区域。另一方面，我们没有看到任何剩余的高能遗迹，就像我们可能期望的那样，如果宇宙从来达到了这些超热状态。
浮现的一种可能性是在热大爆炸之前先于宇宙一个指数膨胀期，建立并诞生了我们观察到的条件。宇宙将是平坦的，因为膨胀拉伸它如此无论它之前是什么它与平坦是不可区分的。它在所有方向中温度都是相同的，因为这些现在不同的区域从前被重叠，但膨胀驱动它们分开。不会有高能遗迹，因为宇宙从来没有取得过那些任意高的温度，而只是在膨胀结束后被重新加热到一个低于普朗克尺度的有限温度。

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