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要談宇宙的年齡,我們就必須提到一個人,艾倫·桑德奇(Allan Rex Sandage,1926—2010),他是哈勃的助手也算是同事。桑德奇以測量造父變星而聞名,為哈勃常數的確定做出了巨大的貢獻,確定哈勃常數也是確定宇宙年齡的必要手段。
哈勃常數是確定宇宙年齡的關鍵
1953年哈勃去世後,桑德奇就提出了一個深刻而又緊迫的問題:宇宙的年齡是多少?
我們知道宇宙膨脹導致了大爆炸標準模型的提出,標準模型說我們的宇宙有起源,既然有起源,那麼宇宙就有年齡,所以說宇宙的年齡是空間膨脹的的後果。
宇宙自大爆炸以來一直在膨脹。是什麼決定了空間的膨脹率?在任何給定的時間裡,只有兩個因素決定了膨脹率:總能量密度和空間曲率。看下圖:
現在,我們知道宇宙中充滿了暗能量,但回到1953年,科學家只考慮了兩種形式的能量:正常物質(質子、中子和電子)和輻射(光子和中微子)。
如果我們測量哈勃常數,確定宇宙中各種形式的能量的密度,我們就能計算出宇宙的年齡。
星系退行速度v=H0d,d為距離,其中H0就是哈勃常數。
當時天文學家確定的哈勃常數為100千米/秒/Mpc,即一個距離我們一百萬秒差距的天體,它的退行速度是每秒100千米(一秒差距=3.26光年)。這個哈勃常數帶來了一個很大的問題。
艾倫·桑德奇測量到M3星團中恆星的年齡比宇宙的年齡還要古老?
艾倫·桑德奇的研究重點是球狀星團;具體來說,桑德奇對梅西耶3號球狀星團進行非常詳細的測量。
恆星的質量越大,壽命越短,質量越小壽命越長,在恆星的一生中大致90%的時間看起來都沒什麼變化,唯獨在恆星脫離主序星變成紅巨星,就會產生巨大的變化,通過觀察星團中恆星脫離主序星的情況,就可以大致的算出一個星團的年齡。艾倫·桑德奇對梅西埃3中的恆星進行了非常精確的測量。
令他驚訝的是,M3中的恆星平均年齡在80到100億年之間!
這個恆星的年齡很奇怪嗎?是的!因為如果宇宙空間沒有曲率,由幾乎100%的物質組成,以當時哈勃常數測量的值100千米/秒/Mpc來說,宇宙應該只有70億年的歷史!
顯然,這裡有很大的問題,不可能有一個宇宙,其中的恆星比宇宙本身還要古老!所以桑德奇就開始重新測量哈勃常數,看看宇宙是否真的比哈勃想像的還要古老。
桑德奇估計宇宙的年齡在130億年到140億年之間
桑德奇開始測量了許多不同星系的造父變星(Cepheids)以確定星系的距離,然後根據星系光譜和都卜勒效應確定星系退行的速度。測量出來的哈勃常數不是100公裡/秒/Mpc,得到的數值一直在50到60之間,這將大大增加宇宙的年齡。
此外,桑德奇還發現物質的能量密度實際上要小於總能量密度;這一點尤為重要,因為物質的引力一直阻止宇宙的膨脹,如果宇宙中只有曲率和輻射能量的話,那麼宇宙的年齡對物質的密度非常敏感。
結合這兩個結果,桑德奇估計宇宙的年齡在130億年到140億年之間。這不僅比之前估計的宇宙年齡要古老的多,而且這個估計結果是唯一一個與最新的星團恆星測量結果一致,其中一些星團的年齡高達130億年!
在20世紀70年代到80年代,由傑拉德·沃庫勒爾斯(Gerard de Vaucouleurs,上圖左二)領導的一個新的天文學家小組對哈勃常數進行了新的測量,得到的數值始終在85至100千米/秒/Mpc之間。
桑德奇始終對這個數值表示懷疑!他堅持的觀點很簡單,如果哈勃常數如此之高,宇宙將再次比其中的許多恆星年輕,這是絕對不可能的。
哈勃望遠鏡一勞永逸地解決了哈勃常數的問題,宇宙的年齡被確定在137億年
上世紀90年代,當哈勃太空望遠鏡(Hubble space telescope)投入使用時,事情終於有了一個結果。順便問一下,你有沒有想過為什麼它被命名為「哈勃」太空望遠鏡?因為這個望遠鏡的首要科學目標是要一勞永逸地精確測量哈勃常數!
相信你已經猜到了,在哈勃望遠鏡之前所有人都錯了。哈勃太空望遠鏡的關鍵項目返回的哈勃常數為72km/s/Mpc,誤差小於10%。就這個常數本身而言,這就給了我們一個年齡大約為123億年的宇宙,但是我們在1998年還發現了一些額外的信息。在我們的宇宙中,能量的主要成分70-75%既不是普通物質也不是輻射,而是暗能量!
72km /s/Mpc和宇宙中的暗能量導致了我們現在看到的137億年的宇宙。雖然傑拉德·沃庫勒爾斯在當時被普遍認為是「更正確的」,但桑德奇很顯然是更接近於正確圖景的那個人。
以上就科學家關於宇宙年齡的猜測和爭論。