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庆应义塾大学的小谷龙也等研究团队,通过分析来自遥远宇宙的类星体的光,测量出约74亿年前宇宙的温度为 -267.96~ -268.08℃(5.13±0.06K) 。这表明当时宇宙的温度比现在高约2.4℃ 。并且此次测量结果的精度比以往提高了约40% 。
通过发展此次的研究方法,有望测量出100亿年以前宇宙的温度 。
宇宙空间如果附近没有恒星等热源,理论上由于没有热源应达到0K( -273.15℃)的绝对零度 。但实际上,现在宇宙空间的温度为 -270.43℃(2.73K),比绝对零度略高 。
这微小的热量来源于从宇宙所有方向、极遥远的宇宙传来的光 。由于宇宙中越往远处看就相当于看到越久远的过去,所以这光来自宇宙遥远的过去,具体是距今约138亿年前,宇宙诞生后约38万年的时代 。
宇宙诞生约38万年后,宇宙温度约2700℃(约3000K) 。以这个时代为界,充满宇宙的等离子体消失,光能够直线传播,如今可以作为观测到的宇宙最初的光被观测到 。
并且,宇宙从诞生到现在一直在膨胀 。在宇宙空间传播的光的波长,也因宇宙膨胀而被拉长 。宇宙诞生约38万年后放射出的光是波长较短的可见光,现在波长被拉长成为微波(电波) 。因此这光被称为“宇宙微波背景辐射” 。光的波长对应能量和温度,所以宇宙空间的温度由充满宇宙的光决定 。
由于宇宙持续膨胀,一般认为随着时间推移宇宙温度降低 。反过来讲,越接近宇宙诞生瞬间,宇宙温度越高、密度越大,最终会成为一个“火球” 。认为宇宙从这样一个点诞生的理论即“大爆炸宇宙论”,它是目前最受支持的关于宇宙诞生与演化的理论 。
宇宙微波背景辐射的温度,是通过观测证明大爆炸宇宙论正确性的证据之一 。然而,即便大爆炸宇宙论获得很多支持,也并非没有异议和不同观点 。为回应这些反对意见,需要测量过去宇宙的温度,验证其是否与大爆炸宇宙论矛盾 。
为理解测量过去宇宙温度的方法,需要说明一些前提知识 。首先,构成各种物质的不同化学分子,各自有吸收特定波长光的性质 。这个波长不仅取决于分子种类,还由分子自身具有的能量决定 。
其次,远离恒星等放射源的气体,仅从宇宙微波背景辐射获取能量 。因此,如果知道过去宇宙存在的分子种类和吸收的波长,通过倒推就能得知充满宇宙的光的能量强度,进而知道过去宇宙的温度 。
庆应义塾大学的小谷龙也等研究团队,为通过该方法测量过去宇宙的温度,分析了设置在智利阿塔卡马沙漠的电波望远镜群“ALMA”的观测数据 。
此次分析的是名为“PKS 1830 – 211”的类星体(耀变体)发出的光 。PKS 1830 – 211本身距离地球约195亿光年(z = 2.507),但射向地球的光在途中穿过旋涡星系的气体时,部分波长的光会被气体中的分子吸收 。该气体距离地球约101亿光年(z = 0.88582),换算成时间约为距今74亿年前,即宇宙诞生后约63亿...
如前文所述,被吸收光的波长由分子种类和其保持的能量决定 。实际上在10多年前的2013年,就有基于10种分子的观测数据测量同一时代宇宙温度的研究 。但该研究虽分子种类丰富,却未考虑气体浓度和随时间的变化 。
所以在此次研究中,虽将分析的分子限定为一种氰化氢,吸收光的波长限定为4种,但考虑了气体浓度的浓淡和随时间的变化等现实中气体的特性进行分析 。
分析结果表明,距今约74亿年前宇宙的温度为 -267.96~ -268.08℃(5.13±0.06K) 。即过去宇宙比现在约高2.4℃ 。该温度不仅与大爆炸宇宙论预测的理论值( -268.01℃ = 5.14K)一致,与2013年的研究结果相比精度也提高了约40% 。
此次研究在高精度测量过去宇宙温度方面意义重大,但在验证大爆炸宇宙论的正确性上仅起到部分作用 。要精确验证大爆炸宇宙论,需要以更高精度测量更古老时代宇宙的温度 。
以目前ALMA望远镜的性能,有望测量距今约100亿 – 120亿年前(z = 2 – 3)宇宙的温度 。并且此次研究方法有望应用于“平方公里阵列(SKA)”、“下一代大型电波干涉仪(ngVLA)”以及升级后的ALMA望远镜等下一代高性能电波望远镜获取的数据 。
如果此次研究方法能应用于下一代望远镜的观测数据,我们应能知晓120亿年前更古老时代宇宙的温度 。

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