138億年的宇宙年齡是如何計算的?哈勃常數的妙用
宇宙源於大爆炸,至今138億年的年齡,那麼這個宇宙年齡是如何計算的?
不斷膨脹的宇宙,充滿了星系和我們目前觀察到的複雜結構,源於一個更小、更熱、更緻密、更均勻的狀態。我們需要成千上萬的科學家來為我們實現這樣一個狀態而努力,但對擴張速度缺乏共識實際上告訴我們,無論哪裡出了問題,我們都有未知的錯誤,或者一場新的科學革命即將到來。乍一看,你可能會認為宇宙的膨脹速度與宇宙的年齡有關。
畢竟,如果我們回到大爆炸的時刻,我們知道宇宙正從這種緻密狀態迅速膨脹,我們知道它在膨脹時必須冷卻和減速。自從大爆炸以來的時間和它的組成決定了宇宙今天應該膨脹的速度。如果它比我們之前懷疑的增長了9%,那麼宇宙可能比我們預期的年輕9%。這是應用於問題的天真和不正確的推理,但是宇宙不是那麼簡單。
目前,宇宙的年齡是由哈勃常數計算的,即宇宙的膨脹速度。但是哈勃常數是通過幾種方法獲得的。目前,主要有三種方法提到。歸根結底,是求解宇宙時間尺度因子的一階微分方程。首先是宇宙距離階梯紅移。宇宙的膨脹速度可以通過計算一定數量的遙遠星系來確定。首先,遙遠星系的距離可以根據Ia型超新星來確定,然後回歸速度可以根據其光譜的紅移來計算。第二種是基於宇宙微波背景輻射。
這是大爆炸的活化石,它不僅記錄了138億年前宇宙的創造,還記錄了一些宇宙膨脹的信息,當然包括哈勃常數的信息。由於早期宇宙物質的輕微密度擾動,這種微小擾動可以記錄在宇宙微波背景輻射譜中,宇宙膨脹速率可以通過理論計算來確定。其中,由宇宙階梯紅移測得的哈勃常數為73.45±1.66km/s/Mpc,由宇宙微波背景輻射測得的哈勃常數為67.3±1.4km/s/Mpc,由雙星結合引力波測得的哈勃常數為70.0±12km/s/Mpc。引力波測量結果介於兩個結果之間,但誤差較大,超出了其他兩個結果的綜合誤差。
這是因為這是一個孤立的天文事件,無論是距離的測量還是光譜都卜勒紅移的估計都不是很準確。但是大致上宇宙的年齡幾近無差。