【宇宙杂谈】最新研究:宇宙年龄267亿岁!?(文字版)

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前不久在一篇发表于《皇家天文学月刊》的文章中,研究人员提出了一种新模型:他们把如今宇宙的年龄从138亿岁直接提高到了267亿岁,几乎翻了一倍。
对于这个结果,有人觉得这是科学的新发现,属于见证历史了;也有人觉得它就和先前那个“大爆炸没有发生过”的观点一样,只是“反大爆炸”人士的哗众取宠罢了。那究竟该如何看待这篇文章呢?
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1 意料之外
自从韦伯(韦布)望远镜投入使用以来,关于早期宇宙的研究如雨后春笋般涌现。其中最出人意料的新发现,就是早期的星系看起来意外的成熟,它们几乎和我们身边这些宇宙晚期的星系一样明亮,同时也有着成熟的星系结构。
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按理来说,星系是通过“大鱼吃小鱼”的方式慢慢长大的,早期宇宙理应遍布着正处于合并中的不规则星系。但是实际上我们看到,那里的星系十分规则整齐,也有着光滑的盘面,和我们周围的星系没什么两样。总之就是,原本该是孩童模样的星系表现出了异常的成熟特征。
类似的还有那个困扰科学界已久的问题:超大质量黑洞是如何形成的。如果同样是通过“大鱼吃小鱼”的方式,那早期宇宙中应该不会有如此巨大的类星体;包括那些拥有着上百亿倍太阳质量的星系中心黑洞,它们也不该存在于我们的宇宙之中。毕竟对于合成一个如此巨大的黑洞来说,138亿年的时间根本不够用。
此外天文学家还发现,某些恒星竟然出奇的老。比如著名的“玛土撒拉”星,当时研究人员计算出它的年龄大约在145亿岁左右,比宇宙本身还要老。儿子比亲爹早出生,这里面铁定有问题。虽然这颗恒星的岁数上下浮动有8亿年,可能仍在138亿岁的宇宙年龄范围内,但是以上这些现象共同指向了一个地方——宇宙的年龄似乎出了问题。假如宇宙没有我们想的那么年轻的话,那这些问题不就都迎刃而解了吗?
2 宇宙年龄
要想知道宇宙年龄对不对,首先要知道它是怎么算出来的?
根据各种观测数据,宇宙在膨胀这已是不争的事实,而非纯理论的预言。假如我们能知道宇宙从开始到现在一共膨胀了多少倍,以及在这期间具体的膨胀速度,那么我们就能算出它一共花费的时间,也就是宇宙的年龄。
宇宙的膨胀速度,它主要反应在天体远离我们的速度上,也叫退行速度。天体(比如说遥远的星系)它的退行速度与它到我们的距离成线性关系(v=HD),距离我们越远的天体,它远离我们的速度就越快,这被称为哈勃-勒梅特定律,也叫哈勃定律
我们如何知道天体远离我们的速度呢?这个可以从它发出的光的红移来判断。红移现象的存在,说明这些天体要么在远离我们,也就是多普勒红移;要么它周围存在强引力场,也就是引力红移
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多普勒红移
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引力红移
显然这两者都不可能:怎么可能四面八方所有的天体都在逃离我们,我们是瘟神吗?那难道宇宙外围有一圈未知的强大引力场,把整个宇宙包裹着,这更是离谱。
既然两种情况都不可能,那光的波长为什么会变长呢?为此兹威基曾提出过一种“光子疲劳”假说,就是路途太远了光子跑着跑着没劲了,所以波长变长出现了红移。
“光子疲劳”这种假说因为无法解释宇宙微波背景的各项同性问题,后来人们觉得还是从空间膨胀的角度来解释更合适,于是这种由于宇宙膨胀导致的红移被称为“宇宙学红移”。
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通过宇宙学红移的大小,我们可以计算出这个天体距离我们有多远。距离越远,光要走的路程就越长,到达我们的时间就要越久,所以我们看到的景象其实是它很久之前发出时的样子。因此我们通过观察不同时期的天体,就能了解宇宙在不同时期的演化情况。
背景辐射,它的红移值有1100,也就是大爆炸后大约38万年,这也是传统大爆炸模型中宇宙的“起点”。注意:这里不是“奇怪”的“奇”,是“起跑”的“起”,“开始”的意思。
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知道了宇宙学红移的“极限”,就相当于知道了宇宙膨胀了多少倍,接下来要找到每个时期具体的膨胀速度。
要求空间膨胀速度,需要一个重要的参数——哈勃参数(H)。这就牵扯到复杂的理论计算了。简而言之,根据FLRW度规、广义相对论等可以推导出描述膨胀宇宙的弗里德曼方程,从而可以得到哈勃参数物质密度的关系。
3H² = 8πGρ
宇宙中的物质主要是由重子物质、暗物质、电磁波等辐射,以及暗能量组成。除了神秘的暗能量,其他物质都会随着宇宙的膨胀而被稀释,所以它们的密度红移息息相关。
有了物质密度,再经过如此这般这般如此地一顿换算,于是我们就知道了哈勃参数会如何随红移变化,这就相当于知道了宇宙在各个时期的膨胀速度。
H = f(z)
如今宇宙膨胀速度对应的哈勃参数就是哈勃常数(H0
H = f(0) = H0
可以看出,哈勃常数虽然叫“常数”,但在宇宙时间尺度来看并不是完全不变的,它更多说的是在宇宙各处的空间上是一样的。
通过把弗里德曼方程进行适当变换,可以看到宇宙的年龄几乎就是哈勃常数的倒数,所以知道了哈勃常数也就知道了宇宙的年龄。这就是目前计算宇宙年龄的大致方法。
t = 1 / H0
3 新模型
为了解决星系的“早熟”问题,研究人员原本并没有直接拿宇宙年龄开刀,而是先引入了一个假设:假设基本的物理常数并不是常数,而是像哈勃常数那样会随时间变化而变化。
这看似逆天的假设,人家可不是拍脑袋随便说的。这个假设最早是由量子力学奠基人之一、预言了反物质存在的保罗·狄拉克提出的,所以也算是“出身名门”了。
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研究人员等于是拿狄拉克大佬来做“背书”,然后在之前的FLRW度规里加了一个因子,让引力常数等基本物理常数可以随时间变化。
然后通过修改后的FLRW度规,在新的弗里德曼方程中出现了一个动态的宇宙学常数,它预示着暗能量也不再是一个常数,而是会随时间变化,研究人员称该模型为“协变耦合常数模型(CCC)”。
这个模型最大的好处是:根据它预测的哈勃常数,我们的宇宙被拉长到了267亿年,这就解决了开篇提到的一系列时间不够的问题。
但是这个模型也有缺点:就是我们看到的处于宇宙早期星系,它们的个头应该非常大才对,不应该像观测到的那么小。
为了解决这个问题,研究人员又引入了另一个假说,就是之前提到的“光子疲劳”假说。
研究人员认为疲劳的光子会导致图像发生畸变,使图像变得更小、更暗,也更模糊。这就和我们观测到的早期星系样貌对应上了,该模型被称为“疲劳光子模型(TL)”。
虽然光子疲劳假说本身存在一些问题,但把它和先前的耦合常数模型结合起来后,这个新的模型(CCC+TL)就可以解释很多现象了。
4 个人观点
现如今宇宙学遭遇的这种困境,要么是星系、黑洞这些演化模型有问题,要么是宇宙演化模型本身存在问题。
通常情况下,大部分人会把关注点放在前者。毕竟相较于给宇宙模型打补丁,给星系或黑洞模型打补丁可行性高得多。或许现有的模型仅适用于中晚期宇宙,只需要再为星系或黑洞找一个适用于早期宇宙的模型就好。
不同于他们,这项研究着眼于后者,选择直接挑战宇宙模型,这就是首先值得肯定的地方。它不局限于旧模型,而是能够跳出条条框框从新的视角来思考,为今后的研究提供了新思路。
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但是这项研究偏理论,属于为了迎合观测数据而“补丁套补丁”得到的“弱理论”。虽然类似的弱理论有很多,但这种在已有理论中引入“常量可变”和“光子疲劳”假设,本身风险会很高。
目前该理论还很粗糙,比如它能否很好地拟合普朗克数据,并解释其他天体物理和宇宙学的观测结果,都还有待观察。毕竟还是那句话:非同寻常的观点需要非同寻常的证据!