體積、質量、壽命……科學家“這樣”測量宇宙

2021-12-18 15:30
參考消息網
關鍵詞:暗物質天文學家星系

參考消息網12月18日報道 西班牙《趣味》月刊發表10月號文章《宇宙的測量》,作者斯圖爾特·克拉克,全文摘編如下:

現代天體物理學的很大一部分在于計算數字,包括天體形成時間、質量和預期壽命等,以便更好地理解包羅萬有且神秘莫測的宇宙。本文總結了迄今為止人類對宇宙已有的了解。

宇宙的年齡

一個世紀前,如果你問一位宇宙學家宇宙的年齡有多大,得到的答案很可能是“無窮大”。這是回避有關它是如何形成的問題的一種巧妙方法。這種想法在1917年阿爾伯特·愛因斯坦通過他的廣義相對論提出靜態宇宙模型時就已經過時。

廣義相對論描述了引力,這是一種塑造宇宙的力,是物體扭曲其時空結構的結果。上世紀20年代中期,比利時天體物理學家喬治·勒梅特稱,根據該理論,宇宙不是靜止的,而是在膨脹,因此在過去會比現在小。

勒梅特的“宇宙膨脹說”,即一切最初起源于一個“原始原子”的爆炸,在上世紀60年代發生了變化。當時天文學家發現了宇宙中最古老的光,即宇宙微波背景。這表明一切都開始于一個熾熱、密集的狀態:大爆炸。

如今,大多數宇宙學家相信這發生在大約138.5億年前。該數字基于對宇宙擴張的估算。這里存在一些不確定性,因為估算該速率的方法會產生不同的值(請參閱下文“宇宙膨脹率”)。宇宙可能的年齡范圍在120億到145億年之間。

我們可以將其與我們所知道的最古老恒星交叉驗證。很明顯,HD 140283,又名瑪土撒拉星,是非常古老的,因為它幾乎完全由氫和氦組成,這是大爆炸后存在的主要元素?,F在,天文學家估計它有144.6億年的歷史。這一數字意味著它的年齡可能比宇宙還要大一點。

但是,我們已知最古老天體的年齡與我們估算的宇宙年齡非常相近,這一事實表明研究宇宙學的標準模型具有相當大的可信性。宇宙的存在時間已經不再是個謎團。但是關于宇宙的其他一些特性,我們依然知之甚少。

宇宙的體積

如果你抬頭仰望夜空一段時間,可能會提出這樣的問題:天空的盡頭在哪里?在人類歷史上的大部分時間里,人們一直認為宇宙是與地球以及地球周圍其他星球分隔開來的,就像是有一個“無人區”存在于我們和天空之間。然而,自從17世紀的科學革命之后,天文學家構想出許多測量天體之間距離的方法。

這些方法在整體上被稱為“宇宙距離階梯”。美國俄勒岡大學專家詹姆斯·舍姆貝特說:“這就像是一個系統,宇宙距離階梯的每一級都支撐著下一級,最終會到達那些最遙遠的天體。當然它們必須具有足夠的亮度,這樣才能被宇宙距離階梯所發現?!庇钪婢嚯x階梯系統中最大的組成部分包括星系和超新星等。

這意味著我們能夠測量整個宇宙的大小,或者至少可以努力嘗試這樣做。目前人類已發現的最遙遠星系距離我們約134億光年,名為GN-z11。這意味著GN-z11發出的光需要134億年才能到達地球。這一時間與宇宙的年齡差不多。但是在這段時間內,GN-z11的時空結構可能會擴張。根據對已知可觀測宇宙部分的計算,天文學家估計宇宙的直徑大約為930億光年。但這只是基于我們現在能看到的最遠天體的數字。

宇宙膨脹率

宇宙的時空結構變得越來越大。這方面可觀測到的證據出現在1929年,當時美國天文學家埃德溫·哈勃發現,遙遠的星系正在以相當快的速度離我們遠去。我們甚至可以測量出這種膨脹的速度。這需要測量許多星系之間的距離,然后將這些距離與相應星系的紅移進行比較。

在21世紀之初,科學家借助哈勃太空望遠鏡的數據計算出宇宙當前的膨脹速度接近75公里/秒/百萬秒差距,1百萬秒差距(Mpc)約合326萬光年。天文學家認為他們已經清楚得到了宇宙膨脹率,現在要做的是測量這一速度會隨著宇宙中引力的變化發生多大程度的減慢。

但是,關于宇宙膨脹率的疑問在2013年進一步擴大。2013年3月發布的圖片顯示了歐洲航天局“普朗克”號探測器觀測的宇宙微波背景。這一宇宙微波背景提出了涉及宇宙年齡和構成的一些有待解答的新問題。

宇宙的質量

長期以來,測量整個宇宙中所有物體的總質量一直是困擾科學家們的一大難題。最大的難點在于,宇宙似乎有很大一部分是我們目前無法觀測到的。

這里我們遇到了暗物質的問題。之所以這樣命名,是因為它們不會與光產生互動關系。這就為我們估算星系質量帶來了更大的困難。

迄今為止,我們尚未找到暗物質。但是,通過研究分析宇宙微波背景(體現宇宙中物質和能量相互作用的指標)體現出的溫度波動,物理學家可以估算出暗物質相對于常規物質的質量水平。所有看得見的天體物質只占宇宙總質量的大約5%。除了這些天體,宇宙大多數的組成部分是暗能量和暗物質,這二者加起來約占宇宙總質量的95%,其中暗能量約占68%,暗物質約占27%。

宇宙的形狀

當天文學家說起宇宙的幾何特征時,通常指的是宇宙時空結構的整體形狀。在我們處于膨脹中的宇宙形狀問題上,主要存在兩種可能性。

如果宇宙所有物質產生的引力比宇宙的膨脹力更為強大的話,一切都將向中心聚攏。這樣一來,我們將得到一個封閉的球體宇宙。有些科學家認為這樣產生的結果將是環狀的宇宙。

但是,如果推動宇宙膨脹的力強于宇宙物質的引力,我們將得到一個永遠處于離散狀態的宇宙,或者說一個保持開放狀態的宇宙。

然而,似乎存在介于這兩種可能性之間的一種微妙平衡。在這方面的研究分析中,“宇宙膨脹說”可以幫助我們解釋一些現象。

宇宙的未來

在發現暗能量之前,人們認為是一種神秘的力量將時空結構分隔開來。宇宙的未來取決于幾何學層面的因素。有人說,宇宙是封閉的,將會通過一次大坍縮自我瓦解。也有人認為,宇宙是開放的,將會永遠擴張下去。然而,現在宇宙學的標準模型認為,我們身處一個平的宇宙中,得益于暗能量,宇宙將永遠擴張下去。

如果所謂的暗能量是一個宇宙學常量,也就是說,它不會隨著時間的流逝而發生波動,那么宇宙的擴張也將變成一個常量?!拔覀儗嶋H上終將變得孤單?!庇鴤惗卮髮W瑪麗皇后學院的天文學家特莎·貝克說。

在這種通常被稱為“宇宙的熱死亡”或“大冷卻”情景中,所有的恒星都將消失,黑洞將增長,其他物質的溫度將趨向一致。于是,能量將無法流動,漸漸地,宇宙將進入一種宇宙學上的衰老狀態。在這種死氣沉沉的狀態下,將不會再發生任何重大變化。

猜你喜歡
暗物質天文學家星系
偉大的天文學家們
暗能量VS暗物質(下)
暗能量VS暗物質
If I Were an Astronaut
30米望30米望遠鏡之爭:天文學家大戰夏威夷土著(上)
宇宙中的星系
關于暗物質的物理問題お
天文學家