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普朗克卫星修正宇宙年龄:138.2亿年


普朗克卫星发布的婴儿宇宙的照片,图中的斑点代表着早期宇宙中温度在十万分之一量级上的细微起伏。图片来源:ESA–Planck Collaboration

(文/Phil Plait)宇宙似乎比过去我们认为的要稍稍老了一点。不仅如此,宇宙的构成成分也略有不同。不仅如此,它们混合的方式也跟我们预期的不太一样。不仅如此,还有一些迹象暗示宇宙中还存在着一些更加宏大的东西。

那么,到底发生了什么呢?

答案是,欧洲空间局的普朗克卫星公布了数据。普朗克卫星一直在扫描整个天空,一遍又一遍,窥视着从宇宙中汹涌而来的射电波及微波。这些“光”有些来自于恒星,有些来自于寒冷的尘埃团块,有些来自于正在爆发的恒星及星系。但其中有一部分来自于非常非常遥远的地方。事实上,它们起源于百亿光年以外,来自于可观测宇宙的边缘。

这些光是在宇宙非常年轻时发出的,当时宇宙的年龄只有大约38万年。这些光曾经亮得耀眼,但在传播到我们这里的漫漫旅途中,它已经变暗变红了。在跟宇宙自身膨胀的抗争中,这些光的波长被拉长了许多,抵达我们这里时已经变成了微波。普朗克卫星花了超过15个月去采集那些光,所用的设备灵敏度远超以往。

这些来自早期宇宙的光,本身并不均匀。如果把对比度增强许多倍,你会看到或明或暗的斑点。它们对应于宇宙中幅度在十万分之一级别的温度起伏。这种差异小到难以置信,却有着深远的影响。那些起伏是在宇宙仅有万亿万亿分之一秒、个头还不如一个质子大的时候产生的量子涨落,随着宇宙膨胀而变大,如今已经成长为宇宙中最大的结构,形成了我们看到的星系和星系团,尺度最大可达上亿光年。

这些起伏正是普朗克卫星观测的目标。仔细观察这些细微的变化,我们能够了解大量关于宇宙的信息。科学家花了几年时间审视和分析普朗克卫星得到的数据。他们的发现相当有趣:

  • 宇宙年龄为138.2亿年。
  • 宇宙膨胀的速度比我们预期的稍慢一些。
  • 宇宙有4.9%是普通物质,26.8%是暗物质,68.3%是暗能量。
  • 宇宙是不平衡的。只有那么一丁点儿迹象,但它的意义相当深远。

这些都意味着什么呢?让我们一项一项来看看这些结果。

宇宙年龄为138.2亿年。

宇宙的年龄比我们预期的大了那么一点点。几年前,WMAP探测器也像普朗克卫星一样扫描过宇宙,当时他们对宇宙年龄给出的最佳结果是:137.3±1.2亿年。

普朗克卫星发现,宇宙要比那个数据老了将近1亿年,应该是138.2亿年

第一眼看过去,你或许会觉得,这两个数据相差不小。但请再看一眼。WMAP给出的宇宙年龄有前后1.2亿年的不确定性。这意味着,他们的最佳估算是137.3亿年,但宇宙年龄也可能是138.5亿年,或者136.1亿年。任何介于这两个数字之间的数值,与WMAP几年前给出的数据都没有本质上的不同,137.3亿年不过是那个范围的中值而已。

138.2亿年也在那个范围之内。它确实比原来的中值大一些,但并没有什么大不了。新的宇宙年龄估值与以前的估值是完全相符的,只不过普朗克卫星的数据应该会更精准一些。对于天文学家而言,这个数值将成为宇宙年龄新的标准值。

宇宙膨胀的速度比我们预期的稍慢一些。

宇宙正在膨胀,从它诞生之时起就一直如此。我们能够用多种不同的方法测量宇宙膨胀的速度,比如观察遥远星系中正在爆炸的恒星。观察它们的光在电磁波谱中向波长较长的红色端偏移了多少,我们就能测出它们随着空间膨胀正在远离我们的速度。我们还能通过多种不同的方法,比如确定它们自身的亮度,来测量那些天体到我们的距离。有了速度和距离,我们就能计算出宇宙正在以多快的速度膨胀。

普朗克卫星发现,宇宙正以67.3千米每秒每百万秒差距(67.3 km/s/Mpc)的速度变大。百万秒差距是一个距离单位,大约相当于326万光年。这个数据意味着,如果你观察一百万秒差距以外的一个星系,你会发现它好像在以每秒67.3千米的速度离你而去。两百万秒差距以外的星系,就会以每秒134.6千米的速度远去,以此类推。

这就是所谓的“哈勃常数”。过去一个世纪以来,科学家用不同的方法测量了这一数值,此前的最佳数值是74.2 km/s/Mpc。普朗克卫星的测量结果更小,因此宇宙膨胀的速度似乎比我们过去认为的要慢一些。也正因为如此,普朗克卫星测量的宇宙年龄才会比过去更大一些。

普朗克卫星测量的数值较小,部分原因在于,它观察的光都非常古老,来自于非常非常遥远的地方。因此,科学家必须在时间上向前推,才能推算出宇宙现在正以多快速的膨胀。其他测量哈勃常数的方法,观察的都是距离我们较近的天体发出的光,因此科学家必须在时间上向后推。

既然两个数据存在差异,这或许意味着哈勃常数会随时间变化,不过现在这还很难说。哈勃常数是出了名的难以测量,我估计天文学家还会在这个问题上纠结一段时间。

宇宙有4.9%是普通物质,26.8%是暗物质,68.3%是暗能量。

源于早期宇宙的光,其中的温度起伏以及那些起伏的分布模式,可以用来推算宇宙由什么构成。普朗克卫星得出的宇宙成分及其所占比例为:

  • 普通物质占4.9 %
  • 暗物质占26.8 %
  • 暗能量占68.3 %


普朗克卫星绘制的宇宙中所有物质的分布图,中间的暗条是由于银河系内亮光的干扰而扣除的部分。图片来源:ESA/NASA/JPL-Caltech

普通物质就是被我们称为质子、中子和电子的这些东西,基本上包括了我们身边你能够看到的所有东西。恒星、腰果、干燥剂,还有电脑,都由普通物质构成。你也是。

暗物质是一种我们知道它存在,却看不见摸不着的成分。我们能够看到它产生的引力效应,这些效应显著改变了星系自转和星系团演变的方式。这些看不见的物质数量是普通物质的5倍还多。

暗能量直到1998年才被发现。它非常神秘,作用方式却像压强一样,正在加快宇宙膨胀的速度。我们对它几乎一无所知,只知道它应该是存在的,在宇宙中所占比例要比普通物质和暗物质加起来还大。

在普朗克卫星之前,对这些宇宙组分所占比例的最佳估值略有不同:普通物质为4.6%,暗物质为24%,暗能量为71.4%。而最新的结果是,宇宙中的暗能量比我们以为的要少了一些,但仍然占到宇宙总能量密度的超过2/3!

好消息是,更好的数据可以帮助天文学家进一步微调他们的宇宙学模型,我们也能够更好的理解这个宇宙。描述宇宙行为方式的不同模型预言了这些成分所占的不同比例,因此更精确地确定宇宙组分意味着,我们能够用那些模型更好地描述宇宙。我们有所进步!

宇宙是不平衡的。只有那么一丁点儿迹象,但它的意义相当深远。

在目前公布的所有结果中,这或许是最令人兴奋的一个。我们预期,宇宙在大尺度上是相当均匀的。早期宇宙中的那些起伏应当是随机的,因此当我们环顾左右看到那些古老的光时,其中的图案也应当是非常随机的。

事实也是如此!那些斑点的分布相当随机。或许你能够从中看出某些图案,但我们的大脑具有欺骗性,我们总是会在真正随机的斑点中“看出”某些规律。你必须用计算机、数学和统计方法去测量那些起伏的分布,以检验它们是不是真的随机。宇宙通过了这样的测试。

至少算是通过了。它们的分布是随机的,但那些起伏的幅度却没那么随机。所谓幅度,就像是水面上波纹的高度。这很难用眼睛看出来,但在普朗克卫星绘制的大图中,某一侧的幅度稍稍大了一点,而另一侧的幅度又稍稍小了一点。这种效应小到让人觉得不可思议,但似乎是真实存在的。它出现在WMAP的数据之中,如今得到了普朗克卫星的证实。

简单的宇宙模型认为,这种情况根本就不应该发生。宇宙在大尺度上是不均匀的!这意味着什么?


用普朗克卫星观测到的宇宙微波背景辐射,扣除假设“宇宙在大尺度上均匀”的模型所做的预言,就得到了右下这张暗示宇宙在更大尺度上仍然不够均匀的图案。这些残余的偏差极其细微,却让整个宇宙完全不同了。图片来源:ESA and the Planck Collaboration

现在,我们还不知道。有太多的想法能够解释这种现象为什么会发生,但我们还没有那么多数据去检验它们。有一个想法认为,这可能意味着暗能量在随时间变化。另一个想法就要激动人心得多,认为我们看到的是大爆炸之前留在宇宙中的某种印痕。我知道,这听起来很疯狂,但这并非痴人说梦。

我们或许窥见了某些发生在太大尺度上的事情,尺度大到我们根本就不可能看到它的全貌。这就好像在略微倾斜的地面上建起一幢大房子。站在某一间房间里,你或许根本注意不到地面的倾斜,但仔细测量房子一侧某个房间地面的高度,再到房子另一侧的另一个房间测量地面高度,或许就能显现出两者存在差异。即便如此,你也只能知道地面略有倾斜,不知道房子是不是建在某一座大山的山坡上。

我们在宇宙的尺度上看到了同样的事情。宇宙本身似乎略微有些倾斜,只有在测量整个宇宙时,我们才能察觉到一丝迹象。

终极问题

这些新的结果让我感到非常开心。

当然,作为一名科学家,能够得到一些更好的测量结果,看到更多细节,修正一些数字,总是会很开心。这就是我们检验模型的方式,它帮助我们更好地理解自己的想法。

但是,作为一个人——我们竟然能够精确测量宇宙年龄;能够明确宇宙由什么东西构成并测定它们的比例,尽管其中的绝大多数我们都无法看到;能够测出宇宙不只在膨胀,还能测定膨胀速度有多快——这些事实让我的大脑仍然处在兴奋状态,很长时间都停不下来。

最重要的,我们看见宇宙还在做一些我们仍然无法理解的事情。它向我们证明,还有更大的未知在等着我们,在远远超出我们感知范围、也远远超出我们想象空间的更大尺度上,有某些事情正在发生。

每一天,我们都会更进一步了解宇宙正在做些什么。我们的研究也在继续,去探求宇宙如何做到这些。或许,这样的探索将指引我们解答那个关于一切的终极问题:为什么?

如果这个问题存在答案,如果我们能够理解它,那么现在,我们就向它迈出我们的第一步。

 

编译自:Bad Astronomy博客,The Universe Is 13.82 Billion Years Old

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发布于2013-03-22, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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