书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第5章 亘古洪荒论短长——宇宙年龄

1.宇宙年龄有多大

宇宙年龄,指的是宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。对于某些宇宙模型,如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等,宇宙年龄没有意义。在通常演化的宇宙模型里,宇宙年龄指宇宙标度因子为零起,到现在时刻的时间间隔。通常,哈勃年龄是宇宙年龄的上限,可以作为宇宙年龄的某种度量。根据大爆炸宇宙模型推算,宇宙年龄大约为200亿年。

2.宇宙年龄如何推算

科学家利用望远镜,观察最老的星球上的铀光谱,从而估计宇宙的年龄是125亿年。科学家对宇宙的年龄有不同的估计,根据不同的宇宙学模型,科学家估计宇宙的年龄是介乎100亿~160亿年之间。2001年,科学家利用南欧洲天文台的望远镜,观察一颗称为CS31082-001的星球,量度星球上放射性同位素铀-238的光谱,从而计算出这颗星球的年龄是125亿年。这个估计的误差大约为30亿年,也就是说,宇宙的年龄至少有125亿年,这是科学家第一次量度太阳系以外铀含量的研究。

科学家解释说,这个方法和在考古学上使用碳-14同位素量度物质的年龄一样,铀-238同位素的半衰期是44.5亿年(半衰期是放射性元素自动蜕变成为其他元素,至它本身剩下一半时所需要的时间)。

科学家指出,在宇宙开始时,大爆炸会产生氢、氦和锂等元素,而比较重的元素是在星球内部产生。当星球死亡时,含有重元素的物质,会散布到周围的空间,然后和下一代的星球结合。其实,地球上的黄金也是来自爆炸了的星球。

因此,愈老的星球上的重元素,也会愈少。科学家认为,一些比较老的星球的重元素含量,只有太阳的1/200。科学家曾经尝试利用钍-232同位素来估计宇宙的年龄。钍是一种放射性金属元素,与中子接触时会引起核分裂,产生原子能源。不过,钍的半衰期是140.05亿年,半衰期比铀-238长。因此,估计的误差也比较大。

科学家认为,宇宙起源于137亿年前的一次难以置信的大爆炸。这是一次难以想象的能量大爆炸,宇宙边缘的光到达地球要花120亿~150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中飘游,由许多恒星组成的巨大星系,就是由这些物质构成的,太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不再膨胀,但是科学家已发现,宇宙中有一种“暗能量”,会产生一种斥力,从而加速宇宙的膨胀。

暗能量

暗能量,是指宇宙学中某些人的猜想。它是一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论,这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今,这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。

大爆炸后的膨胀过程,是一种引力和斥力之争。爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离。天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关,因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀还是最终会停止膨胀,并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小。

3.宇宙年龄会不断延长吗

有人说,宇宙的年龄可能比原先设想的还要早20亿年。科学家们已经发现一个比原先预想还远15%的邻近星系,这意味着宇宙的年龄可能少估计了15%。但是另一些专家认为,现在下结论还为时过早。

天文学家们通过观测一颗阶段性改变亮度的特殊行星,已经成功测定出许多遥远星系的相对距离。但是为了弄清楚这些星系距离人们究竟有多少光年,科学家们需要直接计算银河系和一些星系之间的距离。这样的测量很难进行。多少年以来,唯一测量出的可信的距离,是邻近的大麦哲伦星系。但是一些天文学家担心,它不同寻常的化学构成会影响计算的结果。

现在,华盛顿卡耐基研究所的阿切斯特·波南斯和他的同事,已经在银河系的“邻居”三角座星系中,观测到一颗正在逐渐暗淡的失色双星。这个系统中的两颗星星,在它们的轨道上互相穿越,观测这两颗星星互相暗淡的过程,让天文学家们可以忽略两颗星星的大小和它们释放的能量。观测到的亮度对比结果,揭示了行星和地球的距离。

他们测算出三角座星系距离地球约300万光年,比通常人们认为的260万光年远了15%,后者是通过其他非直接的技术测量得出的。如果300万光年这个数据得到确定,那么新的距离表示更远的星系都将比原先远15%,因为相对距离不会改变。而且因为宇宙的大小和年龄,都以星系距离为基础,结果宇宙的年龄从137亿年增加到了157亿年。

德国科学家研究发现,宇宙深处的一个类星体上,铁物质含量要远大于太阳系中任何一个星体。由于天体中铁物质的形成,需要极漫长的时间。在与太阳系天体铁物质含量对比的基础上,科学家提出,宇宙年龄可能大于此前人们的猜测。

科学家介绍说,根据现有的认识,类星体及其所含铁物质,是在宇宙大爆炸后15亿年左右才逐渐形成的。而天体中的铁物质,是在宇宙中星体燃烧爆炸之后,经过聚变反应后形成的。也就是说,某个天体上的铁物质只能在数十亿年时间内,才逐渐积聚起来。现有研究认为,宇宙的年龄至少为125亿年,太阳系形成的时间约在90亿年前。因此,以太阳系天体中铁物质含量做对比,科学家认为这一新发现或者表明,宇宙中存在一类人们迄今并不认识的富含铁物质的星体,或者表明宇宙年龄要大于此前的猜测。

类星体,是宇宙中一类体积相对较小但能量巨大的天体。该类天体在一般光学观测中类似恒星,但在分光观测中,它的谱线具有很大的红移,与恒星并不相同,因此被称为类星体。中国天文学家蔡星宇曾推测说,宇宙至少有100亿岁。

如果科学家的假设是正确的,那么下一次的大爆炸将在什么时候到来?尼尔教授说:“不论计算多么准确,人们都无法预料下一次大爆炸的时间,但可以肯定的是,下一次的大爆炸不会在之后的100亿年内发生。”