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1989年,COBE卫星发射升空,这颗卫星的中文名叫“宇宙微波靠山探测器”,在它的身上携带了两个主要的仪器,FIRAS(远红外绝对分光光度计)和DMR(差分微波辐射计)。

FIRAS就在多个频段上丈量了微波靠山辐射的能量密度,1992年研究团队凭证FIRAS的数据宣布了丈量效果,数据显示,微波靠山辐射跟2.725K的黑体谱吻合的很好。

此次丈量,以亘古未有的精度和无可反驳的证据,验证了大爆炸原始火球的预言,曾经和大爆炸理论分庭抗礼长达二十几年的稳恒态理论,悄然退出历史舞台。

固然COBE的丈量效果也告诉了我们,宇宙降生以后的38万年到今天,曾经温度高达3千K的宇宙,随着空间的膨胀,现在已经降温到2.725K,COBE丈量的误差只有0.00047K,总的来说,当今的宇宙空间只比绝对零度高了那么一点点。

不外,事情到这里还远没有竣事,微波靠山辐射简称CMB,它不仅仅是证实晰大爆炸理论的准确性,它作为宇宙降生以后的第一批光子,是当今人类能够追溯到的,最古老的宇宙图景,它一定能给我们带来一些特殊的发现。

由于在中性原子形成之前,宇宙是一个高温等离子体,其中的光子会与带电粒子,尤其是电子发生频仍的弹性散射,以是在此之前的宇宙是漫长的不透明时期。

因此在中性原子形成之前,宇宙到底发生了什么?我们并不能通过观察去实证,只能靠我们已经掌握的科学理论去做出合理的推测。

好比之前我们说的,关于大爆炸核合成的预言,就是人们通过核物理、电磁学所作出的合理性展望,而且这个展望已经获得了观察的证实,因此大爆炸核合成也成为了大爆炸理论的三大基石之一。

除此之外,人们对哈勃膨胀率也做出了更为准确的丈量,在1929年的时刻,哈勃那时丈量星系距离的设施只有一个,就是造父变星测距法,这种方式有很大的局限性。

好比,在遥远的星系中,我们基本就分辨不出单颗恒星,由于恒星的尺度和亮度跟星系比起来,简直就像是蚍蜉撼大树,不值一提。

以是昔时哈勃只丈量了22个星系的距离和红移之间的关系,最远的距离都没有跨越700万光年,以是说它丈量出来的哈勃膨胀率基本就禁绝。

现在看到的这个图片就是哈勃昔时的丈量效果,横坐标是距离,竖坐标是星系的退行速率,这里需要注重的是,退行速率也叫视向速率,也就是在我们视线偏向星系的运动速率。

从图中可以看出,星系的距离和退行速率之间的关系呈简朴的线性关系,这个线性关系的系数就是哈勃膨胀率。从图中也可以看出来上面的数据点寥若晨星。

在前面视频中我们提到过,星系退行的速率不仅仅有宇宙膨胀带来的效应,另有它自身在空间中的本动速率,以是想要测准哈勃膨胀率,就需要大量星系的数据,才气把星系的距离和由于空间膨胀所带来的退行速率之间的关系拟合得加倍准确,以是就需要大量星系的数据去无限的迫近真实的宇宙膨胀率。

那么其中丈量星系退行速率的方式很简朴,就是丈量星系光谱中吸收线的多普勒红移,就能算出它的视向速率,唯一对照难题的是丈量星系和我们距离。

说白了就是,造父变星在远距离上用不了,以是我们需要找到一个可以在更远的距离上给星系测距的设施,这个难不倒科学家。

信托你听过Ⅰa型超新星测距法,这是我们现在所知适用距离最远的测距方式,测距的局限可以到达数百亿光年。

Ⅰa型超新星能被看成尺度烛光使用,是由于它的亮度很高,发作时可以跨越整个星系的亮度,其次是所有的Ⅰa型超新星发作的时刻,它的本征亮度都是一样的。

由于1a型超新星发作的机理异常的纪律,听说过钱德拉塞卡极限吧。说的是,当一颗白矮星偷伴星的氢气,使他的质量到达1.4倍太阳质量的时刻,就会点燃焦点的氦聚变,发生爆炸,这就是1a型超新星。

因此所有的1a型超新星本征亮度都一样,我们可以丈量它的视亮度,行使简朴的平方反比关系就能知道它和我们之间的距离了。

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除了1a型超新星以外,另有一些其他的测距设施,科普的话一样平常很少会提到这些,好比图里-费舍尔关系法、法贝尔-杰克逊关系法,外面亮度颠簸法等等这些设施,他们丈量的距离通常在数十亿光年。

现在看到的这张图片是哈勃太空望远镜观察的效果,其中的测距设施就是我上面说的那几种,丈量的距离比哈勃昔时丈量的距离远了几百倍。

就现在来说,我们已经把哈勃膨胀率修正到了每百万秒差距每秒68千米,误差正负4千米。那说了这么多,这跟宇宙的岁数有啥关系?

有关系!你想一下,我们的宇宙是从一个点爆开的,现在距离我们326万光年的星系,它的退行速率是每秒68千米,好,那我问你一个问题。

一个退行速率每秒68千米的星系从银河系的身边,跑到326万光年,需要多长时间?这不就是简朴的小学应用题吗?确实是这样的,哈勃膨胀率可以告诉我们宇宙的岁数,就是哈勃膨胀率的倒数,也就是1除以哈勃膨胀率就是宇宙的岁数。

但问题是这样盘算的条件是,宇宙需要一直保持匀速膨胀的状态,也就是从宇宙降生到现在哈勃膨胀率一直是一个常数。

很显然,真实的宇宙并不是这样的,我们宇宙的膨胀率受到了其中能量存在的形式,以及含量的影响,说白了就是宇宙中到底都有些什么?这些器械占宇宙能量形式的比例是若干?

很显然,我们的宇宙中有通俗物质,也就是有质子、中子、电子组成的物质,然后我们通过考察星系、星系团的质量,旋转方式,大尺度结构的群集形式,知道了其中另有一种看不到的,可以发生引力的物质,叫暗物质。

通过丈量宇宙今天的膨胀状态,我们发现宇宙在加速膨胀,加速就意味着有一种能量在匹敌着万有引力,以是我们以为宇宙中另有一种看不见的能量形式,叫暗能量。

以是我们凭证CMB宇宙微波靠山辐射、SNe超新星数据、BAO重子声学振荡,综合观察的效果发现,我们宇宙的能量形式包罗,68%暗能量,27%暗物质,4.9%通俗物质,0.1%的中微子,约莫0.01%的辐射粒子。

这些能量形式除了暗能量以外,都在阻碍着宇宙的膨胀,以是我们以为在早期的宇宙中,我们履历很长一段时间的减速膨胀的状态,由于在那时宇宙的体积很小,辐射和物质的能量密度要高过与暗能量的能量密度。

以是在减速膨胀的那段时间,宇宙有辐射和物质主导,一直处在减速膨胀的状态当中,正由于云云,宇宙才在数十亿年间形成了恒星、星系、星系团等等这些大尺度结构。

然则辐射和物质有一个特点,他们会随着宇宙的膨胀密度降低,但暗能量并不会这样,以是在宇宙膨胀到一定的尺度以后,暗能量的密度就最先反超物质密度,掌控了宇宙的膨胀,使得宇宙从降生后的减速,酿成了加速状态。这个时间约莫发生在50亿年前。

我们现在知道了宇宙的组成因素,它们的比例,以及它们若何影响宇宙的膨胀历史,然后在通过丈量今天的膨胀率,我们就能大致的算出宇宙的岁数约莫就是138亿年。

固然,这个历程超级庞大,这都是大量的科学团队发了大量论文以后确定的,不是一篇科普文章能够讲清晰的,固然以我的能力,我详细也说不清晰其中的细节,这都是科学家的事。

但我说的总体上的科学方式是没有问题的,绝对够得上是准确的科普。实在科学家对它们算出来的宇宙岁数也不放心,由于在推导的历程中存在许多的不确定的因素和预测。

以是它们必须找一个设施来验证宇宙的岁数,就是宇宙中的恒星!恒星约莫泛起在宇宙降生以后的几亿年间,以是宇宙中最古老的恒星实在跟宇宙的岁数都差不多。

现在我们考察一个星团,把其中所有的恒星凭证它亮度和颜色举行归类,也就是放在一个坐标图中,凭证大量的数据点,你就会发现一个简朴明晰的关系。

现在我们看到的就是,恒星的赫罗图。在其中你可以发现,一个星团中大部门的恒星都处在主序星阶段,也就是氢到氦聚变的阶段,这个阶段会占到恒星寿命的90%以上。

以是我们只需要考察一个星团中的恒星脱离主序星的情形,在其中找质量最小的恒星,看他现在若干岁了,我们就能知道这个星团若干岁了。

现在我们发现,我这里说的是已经确定公认的,星团的岁数约莫在132亿岁左右,很相符我们关于宇宙岁数的推测。

固然最近似乎有一个新闻,说发现了140亿岁的恒星,跨越了宇宙的岁数,挑战了当今的宇宙学。实在我以为这也没啥,若是真有140亿岁的恒星,跟138亿年的宇宙也差不了几亿岁,事实我们的宇宙岁数就是推测出来的,并不是严密的盘算效果。

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    2021-09-14 00:04:58 

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