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17路(17LUBBS) · 看见更远的宇宙

138 亿年这个数字,是三步算出来的,不是猜的

蛋糕烤了多久,不能只看表面颜色。要知道烤箱温度、蛋糕厚度、面糊的初始温度,才能反推出时间。宇宙年龄的算法是同一类问题:我们只看得到今天的膨胀速率和今天的成分比例,这两项都必须先测出来;要把时间倒推回去,还要假定能量组成在整段历史里怎么演化。

宇宙年龄不是直接测出来的,而是用哈勃常数和能量组成对膨胀历史做积分得到的。Planck 2018 给出的值是 137.87 ± 0.20 亿年。这个结果依赖 ΛCDM 模型;如果哈勃常数取局域测量的 73,同参数下年龄会降到约 127 亿年。

第一步,量的是今天的膨胀速率

哈勃常数描述的是当前时刻的膨胀速率,单位是公里每秒每百万秒差距。它的倒数给出一个粗略的时间尺度,约 145 亿年。

这个粗估不够用,因为它假定膨胀速率一直不变。实际历史上膨胀先减速、后加速,两个阶段对时间的贡献不同,必须分开算。

第二步,定的是能量里各占多少

宇宙的能量分几份:物质、辐射、暗能量,以及可忽略的曲率。物质让膨胀减速,暗能量让膨胀加速,比例不同,同样的当前速率对应不同的历史。

Planck 通过微波背景的角功率谱定出这些比例:物质约 31.5%,暗能量约 68.5%,辐射在今天可以忽略但在早期主导。

第三步,积的是整段膨胀历史

有了速率和成分,就能写出膨胀率随尺度因子变化的函数,再对时间积分,从今天积回尺度因子为零的时刻。

积分结果对参数并不敏感得离谱:Ωm 变动 0.02,年龄变化约 1 亿年;H0 变动 1,年龄变化约 2 亿年。这也是为什么年龄的误差条能压到 0.2 亿年。

独立的下限来自最老的天体

如果算出的年龄比银河系里最老的恒星还小,模型就错了。这是一条硬约束。

球状星团的年龄估计在 120 到 130 亿年之间,最老的个别恒星年龄估计也在这个量级,误差较大。它们与 137.9 亿年相容,但余量并不宽裕。

一旦哈勃常数取局域的 73,算出的年龄降到约 127 亿年,与球状星团的下限就开始贴得很近。这是哈勃张力之所以让人不安的原因之一。

参数 数值 口径与来源
宇宙年龄 137.87 ± 0.20 亿年 Planck 2018
哈勃常数 67.36 ± 0.54 km/s/Mpc Planck 2018
物质占比 约 31.5% Planck 2018
暗能量占比 约 68.5% Planck 2018
最老球状星团年龄 约 120–130 亿年 恒星演化模型拟合
1/H0 给出的时间尺度 约 145 亿年 忽略膨胀历史的粗估

哪些是观测,哪些还是推断

观测证实哈勃常数、微波背景的角功率谱、轻元素丰度、球状星团的颜色—星等分布,这些都是实测的输入,本身不是结论。
理论预言给定这组输入,年龄就是积分的结果,没有自由参数可以调;同时,最老天体的年龄必须小于宇宙年龄,这条不等式也成立。
尚未定论年龄的精确值依赖模型。若暗能量随时间演化,或早期存在额外的相对论自由度,积分结果会移动几千万年到一亿年,目前的观测还分不开这些情形。

常见问题

为什么不是 138 亿光年那么大?

年龄和可观测宇宙的半径是两个量。138 亿年是光传播的时间,465 亿光年是那些光今天所在位置到我们的距离,后者更大是因为空间在这段时间里膨胀了。

这个数字还会改吗?

会小幅修正。Planck 的误差条只有 0.2 亿年,但那是模型内的统计误差;模型本身若被替换,中心值可能移动上亿年。

为什么哈勃常数一变,年龄就变?

因为年龄大致与哈勃常数成反比。H0 从 67.4 变到 73,比值约 0.92,年龄也按这个比例缩短,粗算就是少 11 亿年。

延伸阅读

  • Planck Collaboration 2020, A&A 641, A6
  • Weinberg, S. 2008, Cosmology, Oxford University Press
  • NASA WMAP 宇宙学参数页面(map.gsfc.nasa.gov)
免责声明:本文为科普性整理,依据文末所列公开资料与观测数据写成,不构成科研结论或任何形式的建议。科学认识会随新观测与新模型修正,引用请注明来源。如有侵权请联系删除。
文章名称:138 亿年这个数字,是三步算出来的,不是猜的
文章链接:https://www.17lubbs.com/universe-age-calculation/
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