逍遥学能 2017-07-10 19:39
在科学家的共同努力下，宇宙的年龄被测算得越来越精细，从二三百万岁到138.2亿岁，今后肯定还会更精确。每一次更精确的数据后面，都有新的理论和新的技术给予强有力的支撑。这些理论和技术很深奥难懂，但不管怎样都阻挡不了人类的好奇：宇宙的年龄到底是怎么测出来的呢？下面，专家为大家介绍三种主要的方法。
寻找宇宙中最古老的天体麦修萨拉
麦修萨拉的年龄是宇宙年龄的下限
在南京地质博物馆，有一块来自加拿大的小石头。这块石头表面看上去黑黝黝的，暗淡无光。但科学家说，它是最古老的岩石。这块岩石是镁铁和超镁铁岩包裹体，经同位素测定，它自形成到现在已经40亿年了。目前地球上还没有发现比它更老的岩石。如果据这块岩石推测，地球年龄的下限大概在40亿岁。
和地球一样，宇宙中也有和宇宙差不多同龄的古老恒星。找到这种恒星，也差不多就可以知道宇宙年龄的下限，而这也被认为是测算宇宙年龄最基本的方法之一。
麦修萨拉是《圣经》里一位活到969岁的犹太族长的名字，是《圣经》中寿命最长的人。天文学家把最古老的星命名为麦修萨拉星。以下几颗最古老的恒星自本世纪以来相继被称为麦修萨拉星。
●2001年天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜，对一颗距离地球约1万光年、球状星团中编号为CS31082-001的恒星，进行了高精度光谱观测。根据光谱，第一次得到太阳系外天体的放射性同位素钍-232和铀-238(Uranium-238）含量之比，从而计算出该恒星的年龄是125亿岁。
●2007年，天文学家又用相同的办法，测得一颗距离地球7500光年、编号为HE 1523-0901的红巨星的年龄为132亿岁。
●宾西法尼亚州立大学的天文学家经过近10年的观测，于2月公布找到一颗距离地球仅190光年、编号为HD 140283的亚巨星，其测定的年龄高达144.6亿岁，但误差有8亿岁。
以上这几颗最古老的恒星，根据它们的金属含量，都属于宇宙中的第2代恒星。
测量哈勃时标
最新观测显示其大小是145亿岁
用标准烛光推算邻近星系的距离
1917年，天文学家斯利普在观测遥远天体时，发现一些天体的光谱谱线存在红移。这些天体看起来以一定速度在远离地球。那么这些天体距离地球有多远呢？
对于邻近的天体，天文学家的量天尺是三角视差法。天文学家把地球和太阳的平均距离定义为一个天文单位，大约是1.5亿公里。对于太阳系外的一些恒星，天文学家在1年中分别观测几次，比如在春分和秋分对某颗星进行观测，测量它在天球坐标上的位移。如果两次观测地球位移了1个天文单位，而恒星位移了1角秒，天文学家就定义恒星距离地球1秒差距。根据初中的三角几何知识，我们就可以求出1秒差距为30.9万亿公里，或者是3.26光年。
天文学家利用这种方法得到一大批太阳系附近恒星的距离，并且计算出这些恒星的光度。在这些恒星中，人们发现有一些恒星并不是永恒不变的，例如造父类变星。造父类变星不仅光度有周期性变化，而且光度和周期有很好的相关性，简称周光关系。造父类变星是人类最先使用研究宇宙的一类标准烛光。所谓标准烛光，就是如果我们把一支发光稳恒的蜡烛，放到不同的距离上，我们就可以通过观测到的蜡烛亮度，来求出蜡烛离我们的远近。原理很简单，蜡烛的亮度随距离是负2次方减弱。天文学家利用造父类变星的周光关系，在邻近的星系中寻找该类天体，通过观测到的变化周期和亮度，推算出邻近星系的距离。
对于比邻近星系更遥远的天体，天文学家要寻找更明亮的标准烛光。20世纪90年代天文学家发现有一类超新星可以作为标准烛光。2004年，天文学家发现在伽玛射线暴中也存在标准烛光。
145亿岁可能是宇宙年龄的下限也可能是上限
埃德温哈勃在20世纪20年代研究造父类变星，他惊奇地发现，造父类变星的红移，亦即相对地球的远离速度，竟然和距离成正比！
我们现在知道，银河系的尺度，包括银盘、银晕，大概是10万秒差距。把10个这样的银河系首尾相连，放在一直线上，那么总的长度是100万秒差距，这样的尺度，也是整个宇宙大社会中的一个中级机构星系团（星系往往喜欢聚集成团，我们银河系处在室女座星系团中）的尺度。相距100万秒差距的两个星系彼此的远离速度，就可以定量描述哈勃的发现。哈勃的学生、他的学术继承人桑德奇后来把这个量定义为哈勃常数。普朗克卫星的最新观测结果表明，宇宙现在的哈勃常数是67.8公里/秒百万秒差距。
让我们来计算一下哈勃时标。如果宇宙是匀速膨胀的，那么两个星系从宇宙刚开始就以67.8公里每秒的速度分离，到现在相距100万秒差距，所用的时间即为宇宙现在的年龄。我们把这个年龄叫做哈勃时标，根据最新的观测其大小是145亿岁。
如果宇宙中只有物质，即只有万有引力，则宇宙在万有引力作用下从开始到现在一直在做减速膨胀，越早期膨胀速度越大，那么宇宙的真实年龄比哈勃时标145亿岁要小；如果宇宙只有暗能量，即只有斥力，则宇宙在斥力作用下从开始到现在一直在做加速膨胀，那么宇宙的真实年龄比145亿岁要大。根据目前的观测和宇宙学模型，宇宙的真实演化是介于以上两种简单情况之间，在早期是万有引力为主，在最近50亿年是暗能量逐渐占主导。
因此，哈勃时标可以作为宇宙真实年龄的一个参考（可能是下限，也可能是上限）。
宇宙最终将进入脑死亡状态
宇宙现在处于什么时期？对这个问题，紫金山天文台吴雪峰博士笑答，宇宙现在或许处于中青年时期。
有一天，宇宙中的任何星系都会老去。比如太阳老年的时候，会发生塌缩，最终变成白矮星。太阳变成的白矮星，和地球差不多大。别看它现在的半径是地球的700倍，但太阳死后，和地球一样大。
而比太阳大大约8倍的恒星，死后变成中子星。中子星的半径大约是10公里。
质量是太阳大约20倍的恒星，死后会变成黑洞。质量是太阳140~280倍的恒星，死后炸得四分五裂但最终有一天，所有的星系都将不再有新生和死亡。如果用人类生命体征来比拟，就是脑死亡。
宇宙微波背景辐射
最新数据显示宇宙的年龄是138.2亿岁
宇宙大爆炸之后约38万年，复合时代开始。此时，宇宙温度降低到4000℃左右，绝大多数自由电子和质子结合在一起形成中性氢。由于参与散射的自由电子急剧减少，宇宙背景辐射光子获得自由。人类能够探测到最古老的辐射就是从此时开始。这些宇宙背景辐射在宇宙138.2亿年的不断膨胀中逐渐损失能量，但其完美黑体辐射谱型保持不变，形成我们目前探测到的温度为2.725开尔文（零下270.42℃）的宇宙微波背景辐射，其主要辐射波段是微波。
微波背景辐射是宇宙大爆炸模型精确预言的结果，最初是由贝尔实验室两位工程师于1970年代无意中发现。宇宙大爆炸模型不仅预言了微波背景辐射，同时预言了背景辐射各向异性，即不同方向上背景辐射温度有微小起伏（10万分之一）。
1989年上天的COBE卫星首次通过观测证实了背景辐射各向异性。其后的飞去来器气球试验（Boomerang）和WMAP卫星进一步证实了这一点。
各向异性辐射起源于宇宙的原初扰动，这种扰动是宇宙从完全均匀的物质分布到大尺度结构形成，包括形成我们现在观测到的星系团、星系的种子。原初扰动在物质中传播产生重子声波震荡，从而造成我们在微波背景辐射上看到的各向异性和角功率谱。拟合微波背景辐射的角功率谱等观测，可以得到宇宙的几何结构、物质成分、年龄等基本宇宙学参数。目前人类已经进入了精确宇宙学时代。
此次公布的分析结果基于普朗克卫星上天开始工作的最初15.5个月中获得的观测数据。来自欧洲、美国和加拿大的科学家共同组成科学组对观测数据进行了分析，绘制出了迄今最精确的宇宙微波背景辐射图景，得到的宇宙年龄为138.2亿岁。