宇宙年龄问题

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宇宙年龄问题
 
自从哈勃发现星系退行现象以后,天文学家便开始了测定宇宙年龄的工作。多年来,有好几个天文小组在用不同的方法估计宇宙的年龄。他们的测定结果明显地互相矛盾,从 80 亿年到 200 亿年不等。因此,在研究人员中常常发生对测定方法的争论。
 
但大家一致同意,在估计宇宙的年龄时首先需要求得哈勃常数的现代值,因为哈勃常数是表明星系随距离而退行的速度。其次,宇宙年龄有赖于所考虑的宇宙模型(开放的、闭合的或者是平直的;宇宙常数是否为零)。有了这两个前题,我们才能确定若宇宙按现在的速率膨胀的话,其年龄应当是多少。
 
如果空间是平直的——理论工作者最感兴趣的暴涨宇宙模型——则哈勃常数与宇宙年龄的关系最简单,两者成反比。因此,对于平直宇宙学来说,一旦测出了哈勃常数,只需取其数学倒数便直接知道宇宙年龄了。
 
70  年代中期以来,最受大家信赖的宇宙年龄的估计值,是尊敬的天文学家桑德奇(Allan Sandage)所测定的值。他是哈勃的学生,在加利福尼亚州帕萨迪纳的卡内基天文台工作。他曾多年观测许多星系中的超新星,用这些超新星作为测定星系距离的标准。
 
桑德奇取超新星作为优秀的“标准烛光”是有许多理由在平直宇宙模型中,哈勃常数与宇宙的年龄成反比的。首要的是,超新星爆发时发生的光极强,即使是远方星系中爆发的超新星,我们也常能看得见。其次,虽然对任何一个星系而言,这类爆发很少发生,但天空有很多星系,平均每个星期在空间至少有一次新的超新星出现。第三,所有叫做 Ia 型的超新星,大体上都具有相同的绝对亮度。因此,这类超新星,不论它们离我们多远,都具有可预见的光输出。在椭圆星系和较年老的旋涡星系中,都会发生 Ia 型超新星爆发。
 
桑德奇的超新星技术非常之简单。将测得的一颗超新星的光输出与理论预期值比较,便能计算出该超新星距离我们有多远。自然,此距离也就是超新星所在星系的距离。从许多星系的距离和速度的数据,桑德奇测定出哈勃常数约每秒每百万秒差距 50 公里(1 秒差距=3.26 光年),从而宇宙年龄在 150~200 亿岁之间。
 
自从桑德奇得出上述结论以来,多年来,天文学家对这个宇宙年龄值感到较满意。因为这些年龄值足够地大,对宇宙历史上曾经发生的各类事件都能涵盖,没有矛盾。例如,它比银河系的年龄要大得多,后者估计为90~120 亿岁。
 
但近年来,由于一年轻科学工作者的挑战,桑德奇测定的哈勃常数值受到了怀疑。以弗里德曼女士为首的一个 15 人天文小组发展了一个估计哈勃常数的新方法。他们测得的哈勃常数之值比桑德奇的值要大得多,从而  
所得宇宙年龄之值要小得多。
 
弗里德曼的技术——包含发现一个叫做 M100 的远方星系中的造父变星——极大地有赖于 HST 的敏锐的视力。在 HST 发射以前,天文学家经常用造父变星方法做为测量近邻星系,如仙女星系的距离。但人们发现,不可能用此方法让设置在高山上的望远镜去记录较远星系中的造父变星。由于此原因,较亮的天体如超新星,被视为更受青睐的标准烛光。其次,研究人员希望用更精确的仪器来延伸造父变星技术。他们视 HST 的发射为达到此目的难得的良机。自然地,HST 特别设计了去帮助天文学家在远方星系中猎取造父变星。
 
1994 年,弗里德曼小组将 HST 瞄准 M100 星系并观察其中的 4 万多个恒星达数月之久。从所得数据中,他们精确地选中了 20 颗星为造父变星。一旦发现了这些造父变星,并把它们的光变周期和绝对亮度记录下来,这些信息立即便可用于估计星系的距离。小组所得 M100 的距离为 5600 万± 600 万光年。
 
天文学家们相信,M100 位于室女座星系团的一群旋涡星系之中。已知室女团的退行速度多年,由于弗里德曼小组的工作,其距离也知道了。人们会认为这两个数值可直接用来求哈勃常数了。其实不然,因为室女团靠银河系所在的本星系群较近,两组星系之间有较强的引力吸引,故哈勃定律——星系退行速度与其距离成正比——不能完全适用于室女团。因此,以室女团的距离除以其退行速度所得哈勃常数值,将是不准确的。
 
为了求哈勃常数,弗里德曼小组需要应用一个更为精确的逼近——用他们 M100 的结果去获得更远的后发座星系团的距离。后发团离地球足够地远,其运动贴切地服从哈勃定律。弗里德曼及其合作者们认为,有关后发团的信息将能获得一个理想的准确哈勃常数。
 
在他们应用的方法中,首先假定所得 M100 之距离,与室女团中其近邻的旋涡星系的平均距离一样。其次,他们注视到后发团中一组相似的旋涡星系。假定这两组旋涡星系有相同的本身亮度,然后比较后发团的这组旋涡星系比室女团的一组旋涡星系暗多少。从这个比较,测定出后发团比室女团远 5.5 倍。这就是说,后发团距地球稍远于 3 亿光年。最后,他们将已知后发团的退行速度被其距离来除,得到的一个哈勃常数之值为每秒每百万秒差距 80 公里。由于对 M100 在室女团中位置测定的不确定性,他们估计所测出的哈勃常数值的误差在 20%左右。
 
弗里德曼小组测定的哈勃常数值比桑德奇的高得多,因而所得宇宙年龄要小得多。如果弗里德曼小组的结果是准确的,则宇宙只有 80~120 亿岁。但我们也注意到,在弗里德曼小组的计算中,既有因不确定性而发生的较大范围的哈勃常数之值,也没有考虑宇宙是开放的、平直的或闭合的问题。对大多数科学家来说,这一宇宙年龄的估计值显得荒唐。宇宙中一些最老的老年星的年龄被认为至少有 140 亿岁,显然,宇宙中的恒星不应  
比它们所在空间的年龄还要老,就像人们不可能比他(她)的母亲还要老一样。
 
今天,宇宙学中最迫切的事是要解决年龄问题。为了说明估计的宇宙年龄与其组分年龄之间的矛盾,一些理论工作者在试图修改标准宇宙模型。有人建议恢复宇宙常数项,少数人主张完全抛弃大爆炸模型(或广义相对论)。另一些人认为弗里德曼和她的支持者提出的对宇宙年龄的估计不准确——太低,应不予考虑。确实,这是一个尚未定案的迫切需要解决的问题。
 
解决宇宙年龄窘境,最终需要详细了解大尺度空间内天体分布的情
 
况。为此,天文学家在忙于绘制出宇宙的一部分,试图理解其组织和历史。
 
正如我们的祖先在羊皮纸上记录地球错综复杂的地形一样,当代的“制图
 
家们”正在用天文仪器去显示出宇宙的肖像,这个宇宙在结构和多样性方
 
面也是很丰富多彩的。  

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