21世纪最令人惊讶和有趣的发现之一是,测量宇宙膨胀率的不同方法产生了不一致的答案。如果你通过观察最早的信号来测量宇宙的膨胀率,你会发现宇宙以一个特定的速率扩展:67km/s/Mpc,不确定性约为1%。
另一方面,如果你使用宇宙距离阶梯测量膨胀率—通过观察天文物体并绘制红移和距离—你得到一个不同的答案:73km/s/Mpc,不确定性约为2%。这真是一个迷人的宇宙难题,但尽管一个团队声称相反,你无法通过使宇宙年轻十亿年来解决它。这就是原因。
乍一看,您可能会认为宇宙的膨胀率与宇宙的年龄有关。毕竟,如果我们回到大爆炸的那一刻,我们知道宇宙正在从这个密集的状态迅速扩张,我们知道它必须随着它的膨胀而变冷和减速。自大爆炸以来经过的时间以及它所构成的成分(如辐射,正常物质,暗物质和暗能量)决定了宇宙今天应该扩展的速度。如果它比我们之前怀疑的那样增长9%,那么宇宙可能比我们预期的要年轻9%。这是应用于问题的天真(和不正确)推理,但宇宙并不那么简单。
宇宙的年龄(宇宙的年龄约有多少亿年)
你不能简单地做到这一点的原因是有三个独立的证据必须全部融合在一起才能解释宇宙。
如果我们看一下前两个证据—早期遗物数据和距离梯数据—这就是扩张率的巨大差异来自于此。您可以从两者确定扩展速率,这是9%不一致的地方。
但这不是故事的结局;差远了。您可以从上图中看到距离梯形数据(包括蓝色的超新星数据)和早期遗物数据(基于重子声振荡和宇宙微波背景数据,其他两种颜色)不仅相交和重叠,而且暗物质密度(x轴)和暗能量密度(y轴)都存在不确定性。如果你有一个拥有更多暗能量的宇宙,它会显得更老;如果你有一个暗物质更多的宇宙;它看起来会更年轻。
这对于早期遗物数据和距离梯数据来说是一个大问题:我们拥有的数据可以适合多种可能的解决方案。如果你调整正常物质,暗物质和暗能量密度,以及宇宙的曲率,缓慢的膨胀率可以与我们在宇宙微波背景中看到的波动一致的宇宙一致(如上所示)。
事实上,如果你单独观察宇宙微波背景数据,你可以看到更大的扩展速率是非常可能的,但是你需要一个宇宙具有更少的暗物质和更暗的能量来解释它。在这种情况下,特别有趣的是,即使你要求更高的膨胀率,增加暗能量和减少暗物质的行为也会使宇宙的年龄几乎保持不变,达到138亿年。
如果我们计算出宇宙具有以下参数:
自大爆炸以来,我们得到了一颗长达138.1亿年的宇宙。在这种情况下,标量光谱指数约为0.962。
另一方面,如果我们要求宇宙具有以下非常不同的参数:
自大爆炸以来,我们得到的宇宙已经存在了137.2亿年。在这种情况下,标量光谱指数(ns)约为0.995。
当然,我们对标量光谱指数的数据不利于这个值,但这不是重点。关键在于:使宇宙膨胀更快并不意味着更年轻的宇宙。相反,它暗示宇宙具有不同的暗物质和暗能量比率,但宇宙的年龄基本保持不变。
这与一支球队所宣称的非常不同,而且由于我们已经提出的原因,它非常重要:宇宙必须至少与其中的星星一样古老。虽然在任何单个恒星或星团的年龄上肯定存在大量的误差条(即不确定性),但是完整的证据不能很容易地与年龄大于135亿年的宇宙相协调。
宇宙需要至少50到1亿年才能形成所有的恒星,而这些恒星仅由氢和氦构成:它们今天不再存在。相反,最古老的个体恒星存在于个别星系的晕圈的外围,并且具有非常微量的重元素。这些恒星充其量只是形成第二代恒星的一部分,而且它们的年龄与一个比公认的最适合的138亿年的数字年轻十亿年的宇宙不一致。
但是我们可以超越个体恒星并观察球状星团的年龄:在宇宙的早期阶段形成的密集恒星集合。内部的恒星,基于哪些已经变成红巨星,哪些尚未这样做,给我们一个完全独立的宇宙年龄测量。
天文学从对夜空中物体的研究开始,肉眼看不到任何物体比星星更多或更明显。经过几个世纪的研究,我们学到了天文科学中最重要的部分之一:恒星如何生存,燃烧燃料和死亡。
特别是,我们知道所有恒星,当它们活着并通过主要燃料燃烧(将氢气融合成氦气)时,具有特定的亮度和颜色,并且仅在一定的时间内保持特定的亮度和颜色:直到他们的核心开始耗尽燃料。在那时,更明亮,更蓝,更高质量的恒星开始“关闭”主序列(颜色-幅度图上的曲线,下面),演变成巨人和/或超巨星。
通过观察那些同时形成的恒星群的转折点,我们可以弄清楚-如果我们知道恒星是如何工作的-那么星团中的恒星有多久。当我们观察那里最古老的球状星团时,那些重元素中最低的那些,其中关闭的是最低质量的恒星,其中许多都超过12或甚至130亿年,年龄高达132亿年份。
没有一个比当前接受的宇宙年龄更早,这似乎提供了重要的一致性检查。我们在宇宙中看到的物体将非常艰难地与125亿年的宇宙年龄相协调,如果你将我们最合适的数字(138亿年)降低9%,你就会得到这个数字。一个年轻的宇宙充其量只是一个宇宙的远射。
可能有些人认为我们不知道宇宙的年龄是什么,而且这个宇宙膨胀的难题可能导致宇宙比我们今天的年龄更年轻。但这会使我们已经拥有并接受的大量强大数据无效;更可能的解决方案是暗物质和暗能量密度与我们先前所怀疑的不同。
宇宙肯定会发生一些有趣的事情,为我们提供如此奇妙的差异。为什么宇宙似乎关心我们使用哪种技术来衡量扩张率?暗能量或其他一些宇宙属性会随着时间的推移而改变吗?是否有新的领域或力量?重力在宇宙尺度上的表现与预期不同吗?更多更好的数据将有助于我们找到答案,但一个明显更年轻的宇宙不太可能成为答案。
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