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根據(jù)現(xiàn)有的天文學(xué)數(shù)據(jù)，宇宙誕生于大約137億年前的大爆炸。但最近，諸如“宇宙年齡只有114億歲”的報(bào)道刷屏了物理學(xué)網(wǎng)站。這項(xiàng)介紹哈勃常數(shù)全新測定方式的研究，與宇宙年齡有著怎樣的聯(lián)系?宇宙真的比我們預(yù)想的更年輕嗎?

哈勃常數(shù)爭議

對宇宙年齡的估計(jì)，基于一個(gè)至關(guān)重要的數(shù)字——哈勃常數(shù)。哈勃常數(shù)刻畫了宇宙膨脹的速率，在宇宙學(xué)研究中有著基礎(chǔ)性的地位。但略顯尷尬的是，直到現(xiàn)在，我們也無法確定哈勃常數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，因?yàn)橥ㄟ^兩種主流手段測出的哈勃常數(shù)存在明顯的分歧。

其中一個(gè)數(shù)值，是通過宇宙微波背景輻射測算出來的。這種方法測量的是宇宙微波背景輻射中的重子聲波振蕩的大小，代入冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型后，得出的哈勃常數(shù)數(shù)值是67.8km/s/Mpc。

另一個(gè)答案，由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)得出，他們的觀測對象是IA型超新星(一種由雙星系統(tǒng)形成的超新星)與造父變星(一種光度和脈動(dòng)周期直接關(guān)聯(lián)的變星)。IA型超新星亮度非常固定，而造父變星的亮度是周期性變化的，這些規(guī)律的存在使得它們可以成為宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)光源”。天文學(xué)家通過星體的光譜紅移，結(jié)合測得的絕對距離，算出的哈勃常數(shù)為74km/s/Mpc。但這個(gè)方法的問題是，超新星的絕對距離只能根據(jù)相對距離推測，而無法直接測得。

此后，一些科學(xué)家試圖通過其他手段解決哈勃常數(shù)的爭議，卻讓問題變得愈加復(fù)雜。就在今年7月，美國芝加哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用紅巨星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，得出的哈勃常數(shù)為69.8 km/s/Mpc——依舊不同于此前的任何答案。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，德國馬克斯普朗克研究所的Inh Jee等人使用全新的手段——引力透鏡，得到了新的答案：82 km/s/Mpc。當(dāng)然，由于目前的數(shù)據(jù)量有限，因此整個(gè)分析的誤差較大，上下都要浮動(dòng)大約8 km/s/Mpc。換句話說，這項(xiàng)研究測出的哈勃常數(shù)在74~90 m/s/Mpc之間。而按照平均值82 km/s/Mpc來估算，宇宙年齡只有114億年——比原先的137億年年輕至少20億年。

哈勃常數(shù)與宇宙年齡

哈勃常數(shù)與宇宙年齡的關(guān)系究竟是怎樣的?為什么哈勃常數(shù)越大，宇宙的年齡卻越小?

宇宙是在膨脹的，每時(shí)每刻的大小都不一樣，我們把每個(gè)時(shí)刻t的宇宙大小記作函數(shù)a(t)。需要指出的是，宇宙的膨脹速度并不是均勻不變的——宇宙最初減速膨脹，大約在距今50億年前，宇宙開始了加速膨脹。也就是說，a(t)對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)不是常數(shù)。

為了刻畫這個(gè)過程，我們定義了哈勃參數(shù)H(t)：

在這個(gè)定義中，分母是宇宙的大小，分子是其對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。在t=0(即我們所處的時(shí)刻)時(shí)，哈勃參數(shù)的取值就是哈勃常數(shù)。

從宇宙大爆炸到現(xiàn)在對a(t)做積分，就可以得到宇宙的年齡。從積分的結(jié)果可知，如果哈勃常數(shù)越大，則宇宙的年齡越小。

為什么哈勃常數(shù)越大宇宙的年齡越小，從物理直觀上也可以理解。因?yàn)楣?shù)給出的是宇宙膨脹的速率，數(shù)值越大，說明宇宙膨脹越快，所以宇宙可以花更少的時(shí)間就可以膨脹到現(xiàn)在的大小。

引力透鏡

從哈勃參數(shù)的定義可以看出，要得到哈勃常數(shù)，必須要測準(zhǔn)宇宙的大小(也就是空間距離)。但在天文學(xué)中，只能測準(zhǔn)紅移，測不準(zhǔn)距離。所以，天文學(xué)家的主要工作之一，就是做出紅移與距離的函數(shù)關(guān)系，這類似于分析化學(xué)中經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)曲線。有了這個(gè)曲線，就可以通過紅移定出星體來宇宙中的距離了。

Inh Jee等人在最新研究中，使用引力透鏡來繪制“標(biāo)準(zhǔn)曲線”。

在愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論后，1919年，愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的日全食實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明引力可以讓光線彎曲。因此，特定的引力場可以看成是一個(gè)透鏡。在宇宙中，一些質(zhì)量巨大的星系，就可以被看成一個(gè)透鏡系統(tǒng)。

引力透鏡示意圖

Inh Jee等人選擇了兩個(gè)引力透鏡系統(tǒng)，分別是編號B1608+656與RXS J1131-1231的星系。有了透鏡，還需要合適的光源。研究團(tuán)隊(duì)選擇了兩個(gè)類星體(宇宙中最亮的天體，其光芒很可能由中心的大質(zhì)量黑洞吸積周圍物質(zhì)而產(chǎn)生)，這兩個(gè)光源的紅移分別是Z=0.295(大約距離地球38億光年)以及Z=0.6304(大約距離地球75億光年)。作者運(yùn)用兩個(gè)引力透鏡，分別對光源進(jìn)行測距。

為此，他們依靠了一種名為“延時(shí)透鏡”的特殊效果。加州大學(xué)洛杉磯分校天體物理系博士后丁旭恒告訴《環(huán)球科學(xué)》：“在強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)中，一個(gè)光源(類星體或者超新星)發(fā)出的光被大質(zhì)量星系吸引、彎曲形成多個(gè)像，這些像到達(dá)地球的時(shí)間是不一樣的。”正是根據(jù)這個(gè)時(shí)間差，結(jié)合引力透鏡圖像的分析，天文學(xué)家可以測量出光源、透鏡體與地球的關(guān)系距離。

通過“延時(shí)透鏡”測距的示意圖

有了以上數(shù)據(jù)，就可以標(biāo)定出透鏡體距離與紅移的對應(yīng)關(guān)系。再結(jié)合對之前已經(jīng)存在的740個(gè)IA型超新星數(shù)據(jù)的校對，研究人員得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。由此，他們得到的哈勃常數(shù)為82.4 km/s/Mpc，這將使宇宙的年齡變成114億年左右。如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，這將是對目前公認(rèn)的宇宙年齡的巨大修正。

通過兩個(gè)類星體與740個(gè)超新星繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線(A)

不過需要指出的是，這個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)思路雖然精妙，但目前還是比較粗糙的。論文也強(qiáng)調(diào)了，由于目前用到的引力透鏡只有2個(gè)，測得的距離精度還不夠。因此，如果說宇宙的年齡被更新了，還為時(shí)尚早。但毫無疑問的是，這個(gè)方法是對哈勃常數(shù)現(xiàn)有測定結(jié)果的有益補(bǔ)充。隨著觀測數(shù)據(jù)的豐富，哈勃常數(shù)的爭議或?qū)⒆罱K得到解決。