29.1: 宇宙时代
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述我们如何估算宇宙的年龄
- 解释随着时间的推移膨胀率的变化如何影响对宇宙年龄的估计
- 描述暗能量存在以及扩张速度目前正在加速的证据
- 描述一些独立的宇宙年龄证据，这些证据与基于膨胀率的年龄估计值一致
为了探索宇宙的历史，我们将沿着天文学家历史上遵循的相同路径——首先研究附近的宇宙，然后探测距离越来越远的物体，再往前看。
20世纪20年代和1930年代，人们意识到宇宙会随着时间的推移而变化，当时可以对大量星系样本的红移进行测量。 事后看来，科学家们震惊地发现宇宙正在膨胀，这真是令人惊讶。 事实上，我们的重力理论要求宇宙必须膨胀或收缩。 为了说明我们的意思，让我们从一个大小有限的宇宙开始，比如说一个由一千个星系组成的巨球。 所有这些星系因为它们的重力而相互吸引。 如果它们最初处于静止状态，它们将不可避免地开始靠近并最终发生碰撞。 只有当他们由于某种原因碰巧高速离开对方时，他们才能避免这种崩溃。 同样，只有火箭以足够高的速度发射，它才能避免掉回地球。
在无限宇宙中会发生什么的问题很难解决，但爱因斯坦（和其他人）用他的广义相对论（我们在《黑洞》和《曲线时空》中对此进行了描述）来表明，即使是无限宇宙也不是静态的。 由于当时的天文学家还不知道宇宙正在膨胀（爱因斯坦本人在哲学上不愿接受运动中的宇宙），他通过引入一个任意的新术语（我们可以称之为软糖因子）来改变方程式，称为宇宙学常数。 这个常数代表了一种假设的排斥力，它可以在最大尺度上平衡引力，并允许星系彼此保持固定的距离。 这样，宇宙就可以保持静止不动。
大约十年后，哈勃和他的同事报告说，宇宙正在膨胀，因此不需要神秘的平衡力量。 （我们在星系章节中讨论了这个问题。） 据报道，爱因斯坦曾说过，引入宇宙学常数是 “我一生中最大的错误”。 但是，正如我们将在本章后面看到的那样，相对较新的观察表明，扩张正在加速。 目前正在进行观测，以确定这种加速度是否与宇宙常数一致。 从某种意义上说，爱因斯坦毕竟是对的。
观看这个网络展览，讲述我们对宇宙学的思考历史，包括图片和传记，来自美国物理学会物理史中心。
哈勃时代
如果我们有一部关于不断膨胀的宇宙的电影然后把这部电影倒退，我们会看到什么？ 在我们的电影中，星系不会分开，而是一起移动，越来越近。 最终，我们会发现，我们今天所能看到的所有问题曾经集中在无限小的卷中。 天文学家认为这次是宇宙的开始。 刚开始那个集中的宇宙的爆炸被称为宇宙大爆炸（这不是一个坏名词，因为你没有比创造整个宇宙的爆炸更大的爆炸了）。 但是这次爆炸是什么时候发生的？
我们可以对自普遍扩张开始以来的时间做出合理的估计。 要了解天文学家是如何做到这一点的，让我们从一个类比开始。 假设你的天文学课决定在别人家里举办一个派对（一种 “大爆炸”）来庆祝学期结束。 不幸的是，每个人都在热情地庆祝，以至于邻居们报警了，警察同时赶到并将所有人送走。 你在凌晨 2 点回家，对派对的结束方式还是有些不高兴，意识到你忘记看手表看看警察什么时候到达那里了。 但是你使用地图来测量聚会和你家之间的距离为 40 千米。 而且你还记得你在整个行程中都以每小时 80 公里的稳定速度行驶（因为你担心警车会跟着你）。 因此，这次旅行必须花了：
\[ \text{time} = \frac{\text{distance}}{\text{velocity}} = \frac{40 \text{ kilometers}}{80 \text{ kilometers/hour}} = 0.5 \text{ hours} \nonumber\]
所以派对一定是在凌晨 1:30 解散的。
宇宙开始时，没有人在身边看着他们的手表，但是我们可以用同样的技术来估计星系何时开始相互分离。 （请记住，实际上，膨胀的是空间，而不是在静态空间中移动的星系。） 如果我们能测量星系现在相距多远，以及它们移动的速度，我们就能弄清楚行程已经有多长时间了。
让我们把以这种方式测量的宇宙年龄称为 T 0。 让我们先举一个简单的例子，假设自宇宙开始膨胀以来，膨胀一直处于恒定速度。 在这种情况下，星系从银河系移动一段距离 d 所花费的时间（请记住，一开始所有星系以非常小的体积聚在一起）是（如我们的例子所示）
\[T_0=d/v \nonumber\]
银河\(v\)系的速度在哪里。 如果我们能测量星系移动的速度以及它们之间的距离，我们就能确定扩张是在多久之前开始的。
进行这样的测量听起来应该很熟悉。 这正是哈勃和他之后的许多天文学家为了建立哈勃定律和哈勃常数所需要做的事情。 我们在 Galaxies 中了解到，星系的距离及其在不断膨胀的宇宙中的速度与
\[V=H \times d \nonumber\]
哈勃常数在哪里\(H\)。 将这两个表达式结合起来可以给我们
\[T_0= \frac{d}{v} = \frac{d}{(H \times d)} = \frac{1}{H} \nonumber\]
那我们看到，当天文学家测量哈勃常数时，这次的计算工作已经为我们完成了。 事实证明，用这种方式估算的宇宙年龄只是哈勃常数（即1/\(H\)）的倒数。 这个年龄估计值有时被称为哈勃时间。 对于每百万光年20千米/秒的哈勃常数，哈勃时间约为150亿年。 天文学家使用的哈勃常数单位是每百万秒差距千米/秒。 在这些单位中，哈勃常数等于每百万秒差距约70千米/秒，不确定性也约为5％。
为了使数字更容易记住，我们在这里做了一些四舍五入。 哈勃常数的估计值实际上接近每百万光年21或22千米/秒，这将使年龄接近140亿年。 但是哈勃常数中仍然存在大约 5% 的不确定性，这意味着用这种方式估算的宇宙年龄也不确定大约 5%。
但是，要正确看待这些不确定性，你应该知道，50年前，不确定性是2的系数。 在过去的几十年中，在确定哈勃常数方面取得了显著进展。
减速的作用
哈勃时代是宇宙的正确年龄，前提是自宇宙膨胀开始以来膨胀率一直保持不变。 继续我们的学期末派对类比，这相当于假设你以恒定的速度从聚会回家，而事实可能并非如此。 起初，你因为不得不离开而生气，可能开得很快，但是当你平静下来，想到高速公路上的警车时，你可能已经开始减速了，直到你以更容易被社会接受的速度（比如80公里/小时）行驶。 在这种情况下，鉴于你一开始开车的速度更快，回家的路将花费不到半个小时。
同样，在计算哈勃时间时，我们假设 H 一直保持不变。 事实证明，这不是一个好假设。 在考虑这个问题的早期，天文学家预计扩张速度应该会放缓。 我们知道物质会产生重力，所有物体都会拉动所有其他物体。 随着时间的流逝，预计星系之间的相互吸引将减缓扩张。 这意味着，如果重力是唯一的作用力（正如我们将在下一节中看到的那样，这是一个很大的假设），那么过去的膨胀速度肯定比今天快。 在这种情况下，我们可以说宇宙从一开始就一直在减速。
它减速了多少取决于重力在减缓膨胀方面的重要性。 如果宇宙几乎是空的，那么重力的作用就微不足道了。 然后减速将接近于零，宇宙将以恒定的速度膨胀。 但是在一个物质密度很高的宇宙中，重力的拉力意味着现在的膨胀速度应该比以前慢。 如果我们使用当前的膨胀率来估计星系达到目前的分离度需要多长时间，我们将高估宇宙的年龄——就像我们可能高估了你从聚会中回家所花费的时间一样。
通用加速
天文学家花了几十年的时间寻找扩张正在减速的证据，但没有成功。 他们需要的是 1) 更大的望远镜以便它们能够测量更远星系的红移；2) 一个非常明亮的标准灯泡（或标准蜡烛），也就是说，一些亮度已知的天体会产生大量能量并且可以远距离观测十亿光年或更长时间。
回想一下，我们在Galaxies一章中讨论过标准灯泡。 如果我们比较一下标准灯泡的发光度以及它在望远镜中的实际亮度，那么差异可以让我们计算出它的距离。 这样的灯泡所在的星系的红移可以告诉我们它在宇宙中移动的速度有多快。 因此，我们可以独立测量它的距离和运动。
这两项要求终于在 20 世纪 90 年代得到满足。 天文学家表明，Ia型超新星（参见《星之死》）是标准灯泡，根据其光曲线的形状进行了一些校正。 这种类型的超新星发生在白矮星从同伴恒星身上积聚足够的物质以超过钱德拉塞卡尔极限然后崩溃并爆炸时。 在亮度最大时，这些引人注目的超新星可以短暂地超过宿主它们的星系，因此，可以在很远的距离内观测到它们。 大型8至10米望远镜可用于获取测量宿主星系红移所需的光谱（图\(\PageIndex{2}\)）。
两组研究人员在一系列星系中对这些超新星进行了艰苦而仔细的研究结果，于1998年发表。 他们的发现令人震惊，而且如此具有革命性，以至于他们的发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。 研究人员发现，鉴于测得的宿主星系的红移，遥远星系中的这些Ia型超新星比哈勃定律预期的要微弱。 换句话说，与用作标准灯泡的超新星的估计距离与从红移测得的距离不一致。
如果宇宙在减速，我们预计遥远的超新星会比预期的要亮。 放慢速度会让他们离我们更近。 相反，它们比较微弱，起初这似乎毫无意义。
在接受这一令人震惊的发展之前，天文学家首先探索了超新星可能不如他们想象的标准灯泡那么有用的可能性。 也许超新星显得太微弱了，因为我们视线上的尘埃吸收了它们的一些光。 或者，也许由于某种原因，远距离的超新星本质上不如附近的Ia型超新星发光。
许多更详细的观察结果排除了这些可能性。 然后，科学家们不得不考虑另一种选择，即估计到红移的距离不正确。 由红移得出的距离假设哈勃常数一直是真正恒定的。 我们看到，扩张速度可能不变的一种方式是扩张正在放缓。 但是假设这两个假设都不正确（稳定速度或减速）。
相反，假设宇宙正在加速。 如果说宇宙现在的膨胀速度比数十亿年前快，那么自爆炸发生以来，我们远离遥远的超新星的运动速度已经加快，使我们远离它们更远。 与膨胀率恒定相比，爆炸的光线必须传播更远的距离才能到达我们。 光线传播得越远，它看起来就越微弱。 这个结论将以自然的方式解释超新星的观测结果，在过去的几十年中，许多其他观测已经证实了这一点。 看来宇宙的扩张正在加速，这个概念出乎意料，以至于天文学家起初拒绝考虑这个概念。
宇宙的扩张怎么能加快？ 如果你想加速你的车，你必须通过踩汽油来提供能量。 同样，必须提供能量以加速宇宙的扩张。 加速的发现令人震惊，因为科学家们仍然不知道能量来源是什么。 科学家称之为暗能量，这清楚地表明我们对暗能量知之甚少。
请注意，宇宙的这个新组成部分不是我们在前面章节中谈到的暗物质。 暗能量是我们在地球上的实验室中尚未发现的另一回事。
什么是暗能量？ 一种可能性是它是宇宙学常数，这是一种与 “空” 空间本身的真空相关的能量。 量子力学（关于事物在原子和亚原子层面如何行为的有趣理论）告诉我们，这种真空能量的来源可能是微小的基本粒子，它们在整个宇宙中闪烁进出。 已经进行了各种尝试来计算这种真空能量的影响应该有多大，但到目前为止，这些尝试都没有成功。 实际上，基于物质量子力学的真空能量理论估计值的数量级和解释宇宙膨胀加速所需的值相差至少为10120（即1后跟120个零）！ 已经提出了各种其他理论，但最重要的是，尽管有令人信服的证据表明暗能量存在，但我们还不知道这种能量的来源。
无论暗能量是什么样子，我们都应该注意到，自宇宙诞生以来，膨胀速度一直不变的发现使宇宙年龄的计算变得复杂。 有趣的是，加速似乎不是从宇宙大爆炸开始的。 在宇宙大爆炸之后的头几十亿年中，当星系靠近时，重力的强度足以减缓扩张。 随着星系相距越来越远，重力的影响减弱。 宇宙大爆炸几十亿年后，暗能量接管了，扩张开始加速（图\(\PageIndex{3}\)）。
减速可以使通过简单关系估计的宇宙年龄\(T_0 = 1/H\)看起来比实际年龄更老，而加速则使宇宙看起来更年轻。 巧合的是，我们对减速和加速发生程度的最佳估计得出了非常接近的时代的答案\(T_0 = 1/H\)。 目前最好的估计是，宇宙已有138亿年的历史，不确定性仅为大约1亿年。
在本章中，我们都提到了哈勃常数。 我们现在知道哈勃常数确实会随着时间的推移而变化。 但是，在任何给定时间，它在宇宙中的任何地方都是恒定的。 当我们说哈勃常数约为70千米/秒/百万秒差距时，我们的意思是这是哈勃常数在当前时间的值。
比较年龄
现在，我们可以从宇宙的膨胀中估算出宇宙的年龄。 这个估计值与其他观测结果一致吗？ 例如，最古老的恒星或其他天体是否年轻于138亿年？ 毕竟，宇宙必须至少与其中最古老的物体一样古老。
在我们的银河系和其他星系中，最古老的恒星存在于球状星团中（图\(\PageIndex{4}\)），可以使用 “从青春期到晚年的恒星” 一章中描述的恒星演化模型来确定其日期。
近年来，球状星团年龄估计的准确性显著提高，原因有两个。 首先，球状星团恒星内部模型得到了改进，主要是通过更好地了解原子在从恒星中心进入太空时如何吸收辐射。 其次，来自卫星的观测提高了我们对与这些星团距离的测量的准确性。 结论是，最古老的恒星形成于大约12-130亿年前。
最近对恒星中铀光谱的研究证实了这一年龄估计。 同位素铀238具有放射性，会随着时间的推移而衰变（变成另一种元素）。 （铀238之所以被命名，是因为它有92个质子和146个中子。） 我们知道（从恒星和超新星如何产生元素来看）与其他元素相比，铀238通常会产生多少铀。 假设我们测量一颗非常古老的恒星和我们自己的太阳中铀相对于非放射性元素的含量，然后比较丰度。 有了这些信息，我们可以估计铀在这颗非常古老的恒星中腐烂了多长时间，因为我们从自己的太阳知道45亿年内铀会衰变多少。
铀线非常弱，即使在太阳中也很难分辨出来，但是现在已经使用欧洲超大型望远镜在一颗极其古老的恒星中对其进行了测量（图\(\PageIndex{5}\)）。 将太阳系的丰度与太阳系的丰度进行比较，天文学家估计这颗恒星已有125亿年的历史，不确定性约为30亿年。 尽管不确定性很大，但这项工作重要地证实了球状星团恒星研究所估计的年龄。 请注意，铀年龄估计值是完全独立的；它既不依赖于距离的测量，也不取决于恒星内部的模型。
正如我们将在本章后面看到的那样，球状星团恒星可能要等到宇宙扩张至少几亿年后才形成。 因此，他们的年龄与根据扩张率估算的138亿岁年龄一致。
摘要
宇宙学是对宇宙组织和演化的研究。 宇宙正在膨胀，这是现代宇宙学理论的关键观测起点之一。 现代观测表明，在整个宇宙生命周期中，膨胀速度并不是恒定的。 最初，当星系靠近时，重力的影响比暗能量的影响强，膨胀速度逐渐减慢。 随着星系相距越来越远，重力对膨胀速率的影响减弱。 对遥远的超新星的测量表明，当宇宙大约是其当前年龄的一半时，暗能量开始主导扩张速度并导致其加速。 为了估计宇宙的年龄，我们必须考虑到膨胀速度的变化。 在考虑了这些影响之后，天文学家估计，可观测宇宙中的所有物质都集中在138亿年前的极小体积中，我们称之为宇宙大爆炸。
词汇表
- 宇宙大爆炸
- 宇宙学理论，其中宇宙的扩张始于原始爆炸（空间、时间、物质和能量）
- 宇宙学常数
- 广义相对论方程中的术语，代表宇宙中的排斥力
- 宇宙论
- 对宇宙组织和演化的研究
- 暗能量
- 导致宇宙加速扩张的能量；它的存在是从对遥远的超新星的观测中推断出来的