宇宙|我们是如何得出宇宙年龄是138亿年的结论的？宇宙有多古老?几

宇宙有多古老?几代人以来，人们都在争论宇宙是否一直存在，它是否有开始，或者它是周期性的：既没有开始也没有结束。但是从20世纪开始一直持续到21世纪，我们不仅对这个问题得出了一个科学结论宇宙(正如我们所认识的那样)是从一个热的大爆炸开始的而且我们能够精确地确定这个开始的时间。我们现在满怀信心地说，宇宙有138亿年的历史。

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图注：我们的整个宇宙历史在理论上是很好理解的，但这仅仅是因为我们了解它背后的万有引力理论，也因为我们知道宇宙目前的膨胀率和能量组成。光将永远继续在这个不断膨胀的宇宙中传播，我们将在遥远的未来继续任意地接收光，但它将在到达我们的时间上受到限制。关于我们的宇宙起源，我们仍然没有答案，但是宇宙的年龄是已知的。
但我们能对这个答案有多自信呢?有人一定会问：
“我们是如何得出宇宙年龄是138亿年的结论的?”
测量宇宙年龄最简单、最直接的方法就是观察宇宙中的物体：例如恒星。仅在银河系中我们就有数千亿颗恒星，而古代天文学史上绝大多数都致力于研究和描述恒星。今天，随着天文学家发现恒星群的观测特性与它们的年龄之间的关系，它仍然是一个活跃的研究领域。

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基本情况是：
【宇宙|我们是如何得出宇宙年龄是138亿年的结论的？】冷气体云在自身引力作用下崩塌，
导致大量新星同时形成，
有不同的质量、颜色和亮度，
最大、最蓝、最亮的恒星首先燃烧完它们的燃料。
因此，当我们观察一个恒星群时，我们可以通过观察哪些类型的恒星仍然存在，以及哪些类别的恒星已经完全消失，来判断它的年龄。

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图注：恒星的生命周期可以从这里所示的颜色/星等图中理解。随着恒星的年龄增长，它们会“关闭”这张图，让我们可以确定这个星团的年龄。最古老的球状星团，如右图中较老的星团，其年龄至少为132亿年。
我们的星系中有各种不同年龄的恒星，但对任何单个恒星的测量都会充满不确定性。原因很简单：当我们观察单个恒星时，我们看到的是它今天的样子。我们看不到，也不知道，那颗恒星过去的历史上发生了什么，可能导致了它现在的状况。我们只能看到目前存在的东西的快照，来推断恒星演化。
你经常会看到有人试图测量单个恒星的年龄，但这总是伴随着一个假设：恒星在过去没有发生过相互作用、合并或其他暴力事件。由于这种可能性，以及我们今天观察宇宙时只看到幸存者的事实，这些年龄总是伴随着巨大的不确定性：大约10亿年甚至更久。

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图注：这是我们银河系最古老恒星的数字化巡天图像，它的年龄已经确定。这颗老化的恒星，被编目为hd140283 ，位于190光年之外。美国宇航局/欧空局的哈勃太空望远镜被用来缩小恒星距离的测量不确定性，这有助于精确计算145亿年(正负8亿年)的年龄。这可以与138亿年前的宇宙相协调(在不确定的范围内) ，但不能与只有125亿年的宇宙相协调。
然而，当我们观察大量恒星时，不确定性要小得多。在银河系这样的星系中形成的恒星集合开放星团通常包含几千颗恒星，只持续数亿年。这些恒星之间的引力相互作用最终导致它们分开飞行。虽然有一小部分持续了10亿年甚至几十亿年，但我们还没有探测到已知的开放星团，它们能和我们的太阳系一样古老。分页标题
但是，在整个银河系(以及大多数大型星系)的光环中都发现了球状星团，它更大，更重且更孤立。当我们观察它们时，我们可以测量内部许多恒星的颜色和亮度，从而使我们(只要我们了解恒星的工作和演化方式)就可以确定这些恒星团的年龄。尽管这里也存在不确定性，但即使是在银河系内，也存在大量球状星团，年龄在120亿年以上。

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图注：球状星团Messier 69因其非常古老而极为不寻常，这表明它仅占宇宙当前年龄的5%(约130亿年前) ，但金属含量却很高，其金属含量仅为22% 。我们的太阳。明亮的恒星处于红色巨星相，刚刚耗尽其核心燃料，而一些蓝色恒星则是这些不寻常的蓝色离散星。
我们对这些数字有多确定?很难说。虽然几乎可以保证，这些星团中最古老的一定是在125亿到130亿年之间，但围绕太阳质量的恒星开始转变为亚巨星，然后转变为成熟的红巨星所需的时间仍然存在很大的不确定性。可能是100亿年;可能是120亿年;可能是介于两者之间的一些价值。多年来，许多研究球状星团的天文学家认为最古老的星团有140亿年，至160亿年。
今天，我们可以可靠地得出结论，从我们测量的恒星来看，宇宙的年龄有一个大约125亿至130亿年的下限，但这并不能精确地确定年龄。这是一个很好的约束条件，但是为了得到一个实际的数字，我们需要一个更好的方法。

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幸运的是，宇宙给了我们一个。你看，爱因斯坦的广义相对论，对于一个到处都是(大致)均匀的物质和能量的宇宙(就像我们的宇宙) ，给出了两个量之间的直接关系：
宇宙中存在的物质和能量的数量和类型，
以及今天宇宙膨胀的速度。
这种关系最早是在1922年由亚历山大弗里德曼(Alexander Friedmann)推导出来的，使我们能够得出宇宙的年龄的方程式被称为弗里德曼方程。我们花了很多年的时间来测量宇宙的组成部分，但是我们现在已经有了一个共识。

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亚历山大弗里德曼(Alexander Friedmann)
从轻元素的丰度到星系群的聚集，到星系团如何碰撞到遥远的超新星，再到宇宙微波背景的起伏，这些观测都指向同一个宇宙。特别是，它包括：
68%暗能量，
27%暗物质，
4.9%正常物质(质子、中子和电子) ，
0.1%中微子，
0.01%光子(光粒子或辐射) ，
而不到0.4%的其他东西，包括空间曲率、宇宙弦、域壁和其他奇特的成分。

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图注：在宇宙微波背景(CMB)到的E模式极化数据的波动，特别是在小角度范围内的波动，编码了关于宇宙的内容和历史的大量信息。在这里，显示了来自大片天空的起伏，这些起伏是由阿塔卡马宇宙望远镜拍摄的数据构成的。这是迄今为止获得的小角度尺度CMB的最佳数据集。
这张照片与我们的一整套观察结果一致;你必须非常认真地挑选你的证据过分强调具有很大模糊性的测量值，同时忽略大量的数据集最终得出与此相差很大的一组值。
所以，你可能会认为一切都取决于膨胀率。如果你能精确地测量，你就可以简单地计算出宇宙的年龄。从21世纪初开始，从那时起，我们获得的最好的数据来自宇宙微波背景：首先来自WMAp ，然后来自普朗克，到2020年7月14日，也来自阿塔卡玛宇宙望远镜。

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这些数值都以相同的膨胀率收敛：68km/s/Mpc ，不确定性仅为1-2% 。当你计算这对宇宙的年龄意味着什么，你得到了一个非常令人信服的138亿年，与我们所知道的关于恒星的一切完全一致。
不过，等一下。你可能听说过这是正确的关于这一点有争议。虽然使用宇宙微波背景的团队可能都会得到膨胀率的一个值，而测量宇宙大尺度结构的团队可能会同意，但其他方法得到的数值却大相径庭。其他的方法，不是从早期的印记信号开始测量它今天的样子，而是从近处开始向外工作。他们测量各种物体的距离和明显的衰退速度：一种通常被称为宇宙距离阶梯的方法。
当你观察距离阶梯测量值时，它们似乎都给出了系统性的更高的值：在72到76km/s/Mpc之间：平均比你从宇宙微波背景得到的值高9% 。
那么，您可能会认为某人是对的，某人是错的。如果距离梯队是正确的，而宇宙微波背景小组是错误的，那么宇宙可能比我们想象的年轻9%：只有128亿年的历史。

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但在实际操作中却不是这样的。来自宇宙微波背景的数据不是可以忽略的，而是必须要考虑的。我们在它的温度波动中看到的峰值、低谷和摆动是所有这些不同参数结合在一起的反映。当然，最适合的数值是以68km/s/Mpc的速度膨胀，拥有68%的暗能量、27%的暗物质和5%的正常物质，但这些数值可以改变，只要它们一起变化。
尽管它不能很好地拟合数据，但你可以把膨胀率提高到，比如说， 74km/s/Mpc ，而且仍然可以达到非常好的拟合，只要你愿意改变暗物质和暗能量的相对分数。如果暗物质少一点(20%) ，暗能量多一点(75%) ，一个大幅度提高的膨胀率仍然可以很好地拟合数据，尽管不如普遍认为的那样好。
然而，有趣的是，推导出的年龄几乎没有变化;如果你探究所有允许和不允许的范围，那么138亿年前的数据只有大约1%的不确定性：在136.7亿到139.5亿年之间。

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诚然，关于宇宙还有许多谜团有待揭开。我们不知道宇宙膨胀的速度有多快，也不知道为什么测量膨胀率的不同方法得到的结果会有如此大的不同。我们不知道暗物质或暗能量是什么，也不知道广义相对论所有这些都是从中推导出来的在最大的宇宙尺度上是否仍然有效。我们甚至不知道到底有多少宇宙被锁在哪种形式的能量中：它可能拥有比我们想象的更多的暗物质和更少的暗能量，反之亦然;不确定性是巨大的。
但我们确实知道，我们所掌握的数据都与宇宙的一个特定年龄一致：138亿年，这个数值的不确定性只有1% 。它不可能比这个数字老10亿年，也不可能比这个数字年轻10亿年，除非我们所测量到的一大堆东西迫使我们得出了极其错误的结论。除非宇宙对我们撒谎，或者我们在不知不觉中欺骗自己，否则我们所知道的热大爆炸发生在136.7亿年前和139.5亿年前：一点也不多。不要相信任何与之相反的说法，除非将它们与全套数据进行比较!