新发现确认宇宙已经存在137.7亿年

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宇宙中最古老的光是宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,简称 CMB)的光。 当宇宙开始时的稠密物质最终冷却到足以变得透明时,便形成了这种光。 它已经走了数十亿年,从明亮的橙色光芒一直延伸到看不见的凉爽微波。 自然地,它是了解宇宙的历史和膨胀的极好来源。

宇宙中最古老的光是宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,简称 CMB)的光。 当宇宙开始时的稠密物质最终冷却到足以变得透明时,便形成了这种光。 它已经走了数十亿年,从明亮的橙色光芒一直延伸到看不见的凉爽微波。 自然地,它是了解宇宙的历史和膨胀的极好来源。

宇宙微波背景是我们衡量宇宙膨胀率的方法之一。 在早期的宇宙中,大爆炸的热稠海(hot dense sea)的密度和温度波动很小。 随着宇宙的扩动也扩大了。 因此,我们今天在宇宙微波背景下看到的起伏大小告诉我们宇宙如何成长。 平均而言,波动幅度约为十亿光年,这使波动速率(哈勃参数)介于67.2至68.1公里/秒/百万秒差距之间。

当然,宇宙微波背景不是测量哈勃参数的唯一方法。 谈到如何使用变星和遥远的超新星建立一个宇宙距离阶梯,该阶梯显示宇宙膨胀率。 问题是,这个替代方法为哈勃参数提供了较大的数值。 如果超新星方法是正确的,那么宇宙更年轻,并且膨胀速度比宇宙微波背景规模似乎支持的更快。 一段时间以来,人们一直希望有新的观测结果和测量宇宙膨胀的新方法能够解决这一问题,不过一项新的研究却使这些希望破灭。 这项研究使用智利北部的阿塔卡马宇宙望远镜(Atacama Cosmology Telescope)研究宇宙微波背景。

宇宙微波背景的最详细观测是使用普朗克(Planck)卫星进行的。 在太空中,可以清楚地看到宇宙残余热量,从而可以测量温度波动。 阿塔卡马宇宙望远镜虽然在地面,但在安第斯山脉中很高,那里的空气非常稀薄干燥,因此可以很好地看到宇宙微波背景,它也是专门设计用于查看宇宙光的偏振。

早期的宇宙充满了光,由于它是热和离子化,光子在从质子或电子中散射之前不能走得很远。 在大爆炸之后的大约三十八万年,早期宇宙中的物质冷却到足以变成中性氢和氦,这些光基本上是透明。 我们所看到的宇宙微波背景光在事物清除到足以抵达我们之前就发出最后一个散射。 当光从某物上散射时,它相对于该散射可以是定向或者偏振。 因此,所有宇宙微波背景光都是偏振,它的方向告诉我们有关早期宇宙的情况。

纽约大学的研究小组使用这种极化来确定宇宙的年龄和膨胀率。 正如宇宙微波背景中均匀温度区域的大小告诉我们宇宙膨胀的速率一样,均匀极化区域的大小也是如此。 该团队比以往更精确地测量了极化程度,并确定哈勃参数在66.4至69.4公里/秒/百万秒差距之间。 这样得出的宇宙年龄为137.7亿年,这与普朗克对宇宙微波背景的测量结果一致。

因此,现在我们有来自宇宙微波背景的两个独立的宇宙扩展精确度测度,但是使用超新星进行的其它测量结果并不相同,因此这里显然存在一些我们不了解的事情。 在这一点上很明显,我们的宇宙学模型的某些方面需要修改。

【图:纽约大学;文:节译自今日宇宙网页】研究全文刊登在2020年11月23日 arXiv 论文预印本网站

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