新發現確認宇宙已經存在137.7億年


宇宙中最古老的光是宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,簡稱 CMB)的光。當宇宙開始時的稠密物質最終冷卻到足以變得透明時,便形成了這種光。它已經走了數十億年,從明亮的橙色光芒一直延伸到看不見的涼爽微波。自然地,它是了解宇宙的歷史和膨脹的極好來源。

宇宙微波背景是我們衡量宇宙膨脹率的方法之一。在早期的宇宙中,大爆炸的熱稠海(hot dense sea)的密度和溫度波動很小。隨著宇宙的擴大,波動也擴大了。因此,我們今天在宇宙微波背景下看到的起伏大小告訴我們宇宙如何成長。平均而言,波動幅度約為十億光年,這使波動速率(哈勃參數)介於67.2至68.1公里/秒/百萬秒差距之間。

當然,宇宙微波背景不是測量哈勃參數的唯一方法。談到如何使用變星和遙遠的超新星建立一個宇宙距離階梯,該階梯顯示宇宙膨脹率。問題是,這個替代方法為哈勃參數提供了較大的數值。如果超新星方法是正確的,那麼宇宙更年輕,並且膨脹速度比宇宙微波背景規模似乎支持的更快。一段時間以來,人們一直希望有新的觀測結果和測量宇宙膨脹的新方法能夠解決這一問題,不過一項新的研究卻使這些希望破滅。這項研究使用智利北部的阿塔卡馬宇宙望遠鏡(Atacama Cosmology Telescope)研究宇宙微波背景。

宇宙微波背景的最詳細觀測是使用普朗克(Planck)衛星進行的。在太空中,可以清楚地看到宇宙殘餘熱量,從而可以測量溫度波動。阿塔卡馬宇宙望遠鏡雖然在地面,但在安第斯山脈中很高,那裡的空氣非常稀薄乾燥,因此可以很好地看到宇宙微波背景,它也是專門設計用於查看宇宙光的偏振。

早期的宇宙充滿了光,由於它是熱和離子化,光子在從質子或電子中散射之前不能走得很遠。在大爆炸之後的大約三十八萬年,早期宇宙中的物質冷卻到足以變成中性氫和氦,這些光基本上是透明。我們所看到的宇宙微波背景光在事物清除到足以抵達我們之前就發出最後一個散射。當光從某物上散射時,它相對於該散射可以是定向或者偏振。因此,所有宇宙微波背景光都是偏振,它的方向告訴我們有關早期宇宙的情況。

紐約大學的研究小組使用這種極化來確定宇宙的年齡和膨脹率。正如宇宙微波背景中均勻溫度區域的大小告訴我們宇宙膨脹的速率一樣,均勻極化區域的大小也是如此。該團隊比以往更精確地測量了極化程度,並確定哈勃參數在66.4至69.4公里/秒/百萬秒差距之間。這樣得出的宇宙年齡為137.7億年,這與普朗克對宇宙微波背景的測量結果一致。

因此,現在我們有來自宇宙微波背景的兩個獨立的宇宙擴展精確度測度,但是使用超新星進行的其它測量結果並不相同,因此這裡顯然存在一些我們不了解的事情。在這一點上很明顯,我們的宇宙學模型的某些方面需要修改。

【圖:紐約大學;文:節譯自今日宇宙網頁】研究全文刊登在2020年11月23日 arXiv 論文預印本網站

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