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旧光的新观点增加了关于宇宙年龄的争论

作者:托马斯·萨姆纳,西蒙斯基金会。最初出版于2020年7月15日。

在智利阿塔卡马沙漠的一座高山上,天文学家们用美国国家科学基金会的阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)重新审视了宇宙中最古老的光(也被称为宇宙微波背景)。他们的新观测加上一些宇宙几何知识表明,宇宙的年龄为137.7亿年,误差为4000万年。

新的估计与宇宙标准模型和普朗克卫星测量的相同光线所提供的结果相吻合。这为天体物理学界正在进行的辩论增加了新的变数,西蒙娜·艾奥拉说,她是发表在arXiv.org上的两篇关于该发现的新论文之一的第一作者。

2019年,一个测量星系运动的研究小组计算出,宇宙比普朗克小组预测的要年轻数亿年。这种差异表明,可能需要一种新的宇宙模型,并引发了人们对其中一套测量方法可能不正确的担忧。Aiola是纽约市熨斗研究所计算天体物理中心的研究员,她评论道:

现在我们找到了普朗克和ACT一致的答案。这说明了一个事实,即这些困难的测量是可靠的。

宇宙的年龄也揭示了宇宙膨胀的速度,这个数字由哈勃常数量化。阿塔卡玛宇宙学望远镜的最新测量结果表明,哈勃常数为每秒67.6公里/百万秒差距。这意味着,由于宇宙膨胀,一个距离地球100万光年(约326万光年)的物体正在以每秒67.6公里的速度远离我们。这个结果几乎与普朗克卫星小组之前估计的每秒67.4公里的百万秒差距完全一致,但是它比通过测量星系得出的每秒74公里的差距要慢。

另一篇发表在arXiv.org上的论文的第一作者,康奈尔大学的Steve Choi说:

我对任何特定的值都没有特别的偏好。无论如何,这都将是有趣的。我们发现一个膨胀速率正好符合普朗克卫星小组的估计。这让我们更有信心测量宇宙中最古老的光。

ACT和普朗克的结果与标准宇宙学模型之间的密切一致是苦乐参半的,Aiola说:

很高兴知道我们的模型现在是健壮的,但如果能看到一些新东西的蛛丝马迹就好了。

尽管如此,他说,与2019年对星系运动的研究存在分歧,仍然存在未知物理可能在起作用的可能性。

就像普朗克卫星一样,在大爆炸的余辉中相互作用。这种被称为宇宙微波背景的光,标志着宇宙诞生38万年后质子和电子结合形成第一个原子的时刻。在此之前,宇宙对于光是不透明的。

如果科学家能估计出光从宇宙微波背景辐射到达地球的距离,他们就能计算出宇宙的年龄。不过,说起来容易做起来难。判断宇宙与地球的距离是困难的。因此,科学家们转而测量天空中两个遥远物体之间的角度,让地球和这两个物体形成一个宇宙三角形。如果科学家也知道这些物体之间的物理距离,他们就可以使用高中的几何学来估计这些物体到地球的距离。

宇宙微波背景光的细微变化提供了锚点,形成三角形的另外两个顶点。这些温度和极化的变化是由早期宇宙的量子涨落引起的,这些涨落被膨胀的宇宙放大到不同密度的区域。(更密集的斑块会继续形成星系团。)科学家们对宇宙的早期有足够的了解,知道这些宇宙微波背景的变化在温度上每10亿光年间隔一次,在偏振上间隔为10亿光年的一半。(就规模而言,我们的银河系直径约为20万光年。)

ACT以前所未有的分辨率测量了宇宙微波背景波动,并仔细观察了光的偏振。ACT的首席研究员、普林斯顿大学亨利·德沃尔夫·史密斯物理学教授苏珊娜·斯塔格斯说:

普朗克卫星测量了同样的光,但通过测量其高保真度的偏振,来自ACT的新图像揭示了我们所见过的更多最古老的图案。

随着ACT继续进行观测,天文学家将对宇宙微波背景有更清晰的了解,并对宇宙起源的时间有更确切的了解。ACT团队还将仔细检查这些观测结果,寻找不符合标准宇宙学模型的物理迹象。这种奇怪的物理学可以解决由测量宇宙微波背景辐射和星系运动而产生的对宇宙年龄和膨胀率的预测之间的分歧。ACT的副主任、宾夕法尼亚大学里斯·w·弗劳尔(Reese W. Flower)天文学和天体物理学教授马克·德夫林(Mark Devlin)说:

我们继续在智利用望远镜观察半边天。随着两种技术精度的提高,解决冲突的压力只会增加。

总结:天文学家重新审视了宇宙中最古老的光,也被称为宇宙微波背景辐射。他们的新观测表明,宇宙的年龄为137.7亿年,误差为4000万年。

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