宇宙的年齡——哈勃常數測量法

2020-12-07 星宇飄零

現在我們所說的宇宙年齡是按照地球地表上的時間作為標準計算的。

不過其實對於地球來說,計算宇宙年齡時是用地表的時間還是用衛星軌道的時間其實根本沒什麼區別,兩者的相對論效應對於宇宙年齡來說完全可以忽略不計。而事實上我們在計算宇宙年齡時就無視兩者的差別的。

目前計算宇宙年齡是通過哈勃常數(哈勃常數的倒數就是宇宙年齡),即宇宙的膨脹速率。而哈勃常數通過好幾種方法獲得,目前經常提到的主要有三種。

第一種是根據宇宙距離階梯紅移。

這是最早發現宇宙膨脹的方法,通過統計一定數量的遠方星系來確定宇宙膨脹速度。先根據Ia型超新星確定遠方星系的距離,然後根據其光譜的紅移量計算出其退行速度就可以反推宇宙的膨脹速率了。不單是宇宙膨脹,最早發現宇宙加速膨脹也是通過這種方法發現的。

宇宙距離階梯星系紅移

第二種是根據宇宙微波背景輻射。

這是宇宙大爆炸的活化石,不但記錄了138億年前那場創世之作,還記錄了宇宙膨脹的一些信息,當然包括哈勃常數的信息。由於早期宇宙物質存在輕微的密度擾動,這種細微的擾動可以被記錄在宇宙微波背景輻射譜裡,通過理論計算,即可確定宇宙膨脹的速率。

宇宙微波背景輻射

第三種是根據雙中子星合併引力波。

這是2017年10月發布的雙中子星合併事件中得到的,開創了多信使天文學的新時代。這次天文事件的其中一個重要成果就是通過引力波測量了宇宙膨脹的速率,即哈勃常數。它是根據理論模型比對探測到的波形數據,從而推斷該次引力波的絕對強度,然後再根據實際探測到的強度就能計算出引力波源的距離,然後再根據定位的引力波源的光學信號的紅移量,就可以計算出宇宙膨脹速率了。

其他還有一些測量方法,比如重子聲學震蕩、大型引力透鏡等,但一般很少提及。

而上述三種測量方法得到的結果也是不一樣的,但理論誤差比較小,雖然實際誤差還是挺大的……其中根據宇宙距離階梯測得的哈勃常數是:73.45±1.66km/s/Mpc宇宙微波背景輻射測得的哈勃常數是:67.3±1.4km/s/Mpc雙中子星合併引力波測得的哈勃常數是:70.0±12km/s/Mpc。引力波測量結果正好處在裡面兩種結果之間,但是誤差比較大,都超出了另外兩種結果的綜合誤差了。這是由於此次是一個孤立的天文事件,無論是對距離的測量還是光譜都卜勒紅移(光源本身的運動速度)的估算都不太準確。

三種方法測量的哈勃常數

還有一件有趣的事,這三種測量方法是分別處於575km高空的哈勃空間望遠鏡、1500000 km日地L2拉格朗日點的普朗克衛星和地面的LIGO引力波雷射幹涉儀測量的。測量結果根本沒聽說需要做相對論修正。而前面說了,哈勃常數的倒數就是宇宙年齡了。

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    宇宙年齡與哈勃常數的巧合論,真假難辨!誠然,哈勃常數與宇宙年齡互為倒數。即是說,常數為70千米/(秒·百萬秒差距),宇宙年齡就是140億年,這一數值是對宇宙年紀的精準估算。如果把宇宙膨脹速率看作恆量(即不考慮重力影響),那140億年的確就是宇宙的估計年齡。
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    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?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。
  • 最新研究:新方法完善了哈勃常數和宇宙年齡
    在宇宙學研究中,哈勃定律成為宇宙膨脹理論的基礎,表示為:v = H * d ;其中,v 是由紅移現象測得的星系遠離速率,H是哈勃常數,d是星系與觀察者之間的距離。2019年9月,德國科學家利用引力透鏡效應計算出哈勃常數為82.4,從而推算得到宇宙年齡為114億歲,比主流觀點認為的137億歲年輕20多億歲。
  • 宇宙的年齡有多大?新的哈勃常數給出更精確數值
    聽起來很玄乎也不太好懂的哈勃常數,卻是描述宇宙年齡和宇宙未來命運的關鍵。 最近,美國芝加哥大學的天文學家溫迪·弗裡德曼(Wendy L.
  • 宇宙年齡測量法
    ——斯坦尼斯洛·耶日·勒克ESA / 哈勃 / NASA在宇宙學上,有多條線索表明宇宙誕生於138億年前。這些線索中,有兩條線索最能說明問題,而其中一條尤為明顯。這條「最佳」線索的依據,是今天宇宙的擴張和冷卻,以及它熾熱緻密的過往。
  • 哈勃常數的倒數等於宇宙的年齡。這會是巧合嗎?
    是的,哈勃參數的大小是時間的倒數,哈勃常數70 km/s/Mpc換算成倒數也就是140億年,這恰好就是宇宙的估計年齡在大約50億年前,暗物質成為了宇宙中的主要成分,從那時起,它對引力的排斥反應一直在加速其膨脹。當我們在此基礎上計算宇宙的年齡時,我們得到了138億年——這個廣為人知的數字,而這恰好近似於哈勃參數的倒數。 這在宇宙歷史上只會發生一次。幾十億年前,宇宙的年齡比哈勃參數的倒數要小,不過幾十億年後,它將比哈勃參數的倒數大。
  • 哈勃常數出現4個版本,難道宇宙有4個年齡嗎?
    哈勃常數反映了宇宙膨脹的速率。它雖然名為常數,實際上是僅就某時某刻而言,它才是一個常數,如果沿著宇宙演化的時間軸來看,它是隨著時間動態變化的。宇宙一直在膨脹,但是膨脹的速率並不均一,有時更慢一些,哈勃常數就較小,而距今50億年以來宇宙膨脹得更快了一些,哈勃常數也變大了。
  • 比起哈勃定律的名字 這個常數更讓科學家頭疼
    可表徵宇宙年齡的常數從1912年到1922年間,美國天文學家斯裡弗觀測了41個星系(當時被稱為「旋渦星雲」)的光譜,發現其中的36個星系的光譜向紅端移動,他認為這種現象意味著這些星系正在遠離地球,其中速度最大的達到了1800千米/秒。
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  • 哈勃常數又出新值
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    自上世紀20年代以來,美國天文學家哈德溫·哈勃的觀測讓科學家知道,宇宙在不斷膨脹。那麼,宇宙的膨脹速度有多快——也即所謂的哈勃常數有多大呢?哈勃常數是宇宙參數,在各種各樣的宇宙學計算中都扮演非常重要的角色,它決定了宇宙的絕對規模、大小和年齡,是我們量化宇宙演化最直接的工具之一。
  • 宇宙年齡已有138.2億年,天文學家如何知道的?
    哈勃常數與宇宙年齡由上文我們已經知道「哈勃常數」是星系紅移速率與距離之間的比值,如果沿著星系遠離的時間軸就能回到宇宙大爆炸的起始點,也就是根據這個比值計算出宇宙年齡(前提是宇宙大爆炸後膨脹速度不變)。由哈勃定律v=H0D可知,星系的距離除以星系紅移速度就是宇宙膨脹的時間,那麼哈勃常數的倒數也就是宇宙膨脹的時間(哈勃時間),可以認為是宇宙的近似年齡,表達公式是:tH=1/H0。
  • 宇宙膨脹得究竟有多快?——矛盾的哈勃常數
    只有一種解釋,要麼至少有一種方法存在普遍的測量誤差,要麼宇宙中存在著某種未知的新物理學。 01 哈勃戰爭 在宇宙學中,圍繞哈勃常數的爭議絕非新鮮。對於確定宇宙的年齡和它的命運來說,哈勃常數至關重要,這強勁地驅動著天文學家來精準測定它的數值。
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    他是著名的美國物理學家由他做出的物理貢獻為,發現了銀河系外其他星系的存在於發現宇宙中大多數星系的紅移現象,並最終演變成了著名的哈勃定律。而所謂的哈勃常數則是用於計算宇宙年齡的基本宇宙數學常熟。關於哈勃常數在歷史上的建立時期同其他的經典理論一樣同樣都是一波三折並最終得以確認的。而在當時知道近年帶確實給我們對於這學上提供了很大的幫助。
  • 最新測量證實「哈勃常數」的實用性
  • 為什麼修正哈勃常數可以改變我們對宇宙的看法?
    大約在138億年前,它眨眼間就存在了,並且從那時起就一直在膨脹,就像一個巨大的宇宙氣球。這種膨脹的速度被稱為哈勃常數(或稱H0),它是宇宙的基本常數之一。知道哈勃常數,就可以計算出宇宙的年齡、可以計算出宇宙的大小、可以更準確地計算出推動宇宙膨脹的神秘暗能量的影響。而且,有趣的是,哈勃常數是計算星系間距離所需的數值之一。然而,哈勃常數存在一個巨大的問題。
  • 新計算得出哈勃常數82,讓宇宙變成114億歲
    德國科學家在最新一期《科學》雜誌撰文稱,他們利用引力透鏡效應,得到宇宙年齡為114億歲,比目前主流觀點認為的137億歲年輕20多億歲。  科學家利用恆星的運動來測量宇宙膨脹的速度(宇宙膨脹率),以此來估算宇宙的年齡。宇宙膨脹率也被稱為哈勃常數,是宇宙學中最重要的數字之一。哈勃常數越大,宇宙膨脹得越快,意味著它更快達到現在的大小,因此越年輕。