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宇宙的年龄――哈勃常数测量法

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  现在我们所说的宇宙年龄是按照地球地表上的时间作为标准计算的。

  不过其实对于地球来说,计算宇宙年龄时是用地表的时间还是用卫星轨道的时间其实根本没什么区别,两者的相对论效应对于宇宙年龄来说完全可以忽略不计。而事实上我们在计算宇宙年龄时就无视两者的差别的。

  目前计算宇宙年龄是通过哈勃常数(哈勃常数的倒数就是宇宙年龄),即宇宙的膨胀速率。而哈勃常数通过好几种方法获得,目前经常提到的主要有三种。

  第一种是根据宇宙距离阶梯红移。

  这是最早发现宇宙膨胀的方法,通过统计一定数量的远方星系来确定宇宙膨胀速度。先根据Ia型超新星确定远方星系的距离,然后根据其光谱的红移量计算出其退行速度就可以反推宇宙的膨胀速率了。不单是宇宙膨胀,最早发现宇宙加速膨胀也是通过这种方法发现的。

  宇宙的年龄――哈勃常数测量法

  第二种是根据宇宙微波背景辐射。

  这是宇宙大爆炸的活化石,不但记录了138亿年前那场创世之作,还记录了宇宙膨胀的一些信息,当然包括哈勃常数的信息。由于早期宇宙物质存在轻微的密度扰动,这种细微的扰动可以被记录在宇宙微波背景辐射谱里,通过理论计算,即可确定宇宙膨胀的速率。

  宇宙的年龄――哈勃常数测量法

  第三种是根据双中子星合并引力波。

  这是2017年10月发布的双中子星合并事件中得到的,开创了多信使天文学的新时代。这次天文事件的其中一个重要成果就是通过引力波测量了宇宙膨胀的速率,即哈勃常数。它是根据理论模型比对探测到的波形数据,从而推断该次引力波的绝对强度,然后再根据实际探测到的强度就能计算出引力波源的距离,然后再根据定位的引力波源的光学信号的红移量,就可以计算出宇宙膨胀速率了。

  其他还有一些测量方法,比如重子声学震荡、大型引力透镜等,但一般很少提及。

  而上述三种测量方法得到的结果也是不一样的,但理论误差比较小,虽然实际误差还是挺大的……其中根据宇宙距离阶梯测得的哈勃常数是:73.45±1.66km/s/Mpc,宇宙微波背景辐射测得的哈勃常数是:67.3±1.4km/s/Mpc,双中子星合并引力波测得的哈勃常数是:70.0±12km/s/Mpc。引力波测量结果正好处在里面两种结果之间,但是误差比较大,都超出了另外两种结果的综合误差了。这是由于此次是一个孤立的天文事件,无论是对距离的测量还是光谱多普勒红移(光源本身的运动速度)的估算都不太准确。

  宇宙的年龄――哈勃常数测量法

  还有一件有趣的事,这三种测量方法是分别处于575km高空的哈勃空间望远镜、1500000 km日地L2拉格朗日点的普朗克卫星和地面的LIGO引力波激光干涉仪测量的。测量结果根本没听说需要做相对论修正。前面说了,哈勃常数的倒数就是宇宙年龄了。


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