2019-09-20 08:35:58
图片来源：wikipedia根据现有的天文学数据，宇宙诞生于大约137亿年前的大爆炸。但最近，诸如“宇宙年龄只有114亿岁”的报道刷屏了物理学网站。这项介绍哈勃常数全新测定方式的研究，与宇宙年龄有着怎样的联系？宇宙真的比我们预想的更年轻吗？
哈勃常数争议
对宇宙年龄的估计，基于一个至关重要的数字——哈勃常数。哈勃常数刻画了宇宙膨胀的速率，在宇宙学研究中有着基础性的地位。但略显尴尬的是，直到现在，我们也无法确定哈勃常数的准确数值，因为通过两种主流手段测出的哈勃常数存在明显的分歧。
其中一个数值，是通过宇宙微波背景辐射测算出来的。这种方法测量的是宇宙微波背景辐射中的重子声波振荡的大小，代入冷暗物质宇宙学模型后，得出的哈勃常数数值是67.8 km/s/Mpc。
另一个答案，由诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯领导的团队得出，他们的观测对象是IA型超新星（一种由双星系统形成的超新星）与造父变星（一种光度和脉动周期直接关联的变星）。IA型超新星亮度非常固定，而造父变星的亮度是周期性变化的，这些规律的存在使得它们可以成为宇宙中的“标准光源”。天文学家通过星体的光谱红移，结合测得的绝对距离，算出的哈勃常数为74 km/s/Mpc。但这个方法的问题是，超新星的绝对距离只能根据相对距离推测，而无法直接测得。
此后，一些科学家试图通过其他手段解决哈勃常数的争议，却让问题变得愈加复杂。就在今年7月，美国芝加哥大学的研究团队使用红巨星作为“标准烛光”，得出的哈勃常数为69.8 km/s/Mpc——依旧不同于此前的任何答案。
现在，在一项发表于《科学》的研究中，德国马克斯普朗克研究所的Inh Jee等人使用全新的手段——引力透镜，得到了新的答案：82 km/s/Mpc。当然，由于目前的数据量有限，因此整个分析的误差较大，上下都要浮动大约8 km/s/Mpc。换句话说，这项研究测出的哈勃常数在74~90 m/s/Mpc之间。而按照平均值82 km/s/Mpc来估算，宇宙年龄只有114亿年——比原先的137亿年年轻至少20亿年。
哈勃常数与宇宙年龄
哈勃常数与宇宙年龄的关系究竟是怎样的？为什么哈勃常数越大，宇宙的年龄却越小？
宇宙是在膨胀的，每时每刻的大小都不一样，我们把每个时刻t的宇宙大小记作函数a（t）。需要指出的是，宇宙的膨胀速度并不是均匀不变的——宇宙最初减速膨胀，大约在距今50亿年前，宇宙开始了加速膨胀。也就是说，a（t）对时间的导数不是常数。
为了刻画这个过程，我们定义了哈勃参数H（t）：
在这个定义中，分母是宇宙的大小，分子是其对时间的导数。在t=0（即我们所处的时刻）时，哈勃参数的取值就是哈勃常数。
从宇宙大爆炸到现在对a（t）做积分，就可以得到宇宙的年龄。从积分的结果可知，如果哈勃常数越大，则宇宙的年龄越小。
为什么哈勃常数越大宇宙的年龄越小，从物理直观上也可以理解。因为哈勃常数给出的是宇宙膨胀的速率，数值越大，说明宇宙膨胀越快，所以宇宙可以花更少的时间就可以膨胀到现在的大小。
引力透镜
从哈勃参数的定义可以看出，要得到哈勃常数，必须要测准宇宙的大小（也就是空间距离）。但在天文学中，只能测准红移，测不准距离。所以，天文学家的主要工作之一，就是做出红移与距离的函数关系，这类似于分析化学中经常使用的标准曲线。有了这个曲线，就可以通过红移定出星体来宇宙中的距离了。
Inh Jee等人在最新研究中，使用引力透镜来绘制“标准曲线”。
在爱因斯坦创立广义相对论后，1919年，爱丁顿领导的日全食实验已经证明引力可以让光线弯曲。因此，特定的引力场可以看成是一个透镜。在宇宙中，一些质量巨大的星系，就可以被看成一个透镜系统。
引力透镜示意图Inh Jee等人选择了两个引力透镜系统，分别是编号B1608+656与RXS J1131-1231的星系。有了透镜，还需要合适的光源。研究团队选择了两个类星体（宇宙中最亮的天体，其光芒很可能由中心的大质量黑洞吸积周围物质而产生），这两个光源的红移分别是Z=0.295（大约距离地球38亿光年） 以及Z=0.6304（大约距离地球75亿光年）。作者运用两个引力透镜，分别对光源进行测距。
为此，他们依靠了一种名为“延时透镜”的特殊效果。加州大学洛杉矶分校天体物理系博士后丁旭恒告诉《环球科学》：“在强引力透镜系统中，一个光源（类星体或者超新星）发出的光被大质量星系吸引、弯曲形成多个像，这些像到达地球的时间是不一样的。”正是根据这个时间差，结合引力透镜图像的分析，天文学家可以测量出光源、透镜体与地球的关系距离。
通过“延时透镜”测距的示意图有了以上数据，就可以标定出透镜体距离与红移的对应关系。再结合对之前已经存在的740个IA型超新星数据的校对，研究人员得到标准曲线。由此，他们得到的哈勃常数为82.4 km/s/Mpc，这将使宇宙的年龄变成114亿年左右。如果数据准确，这将是对目前公认的宇宙年龄的巨大修正。
通过两个类星体与740个超新星绘制的标准曲线（A）不过需要指出的是，这个全新的实验思路虽然精妙，但目前还是比较粗糙的。论文也强调了，由于目前用到的引力透镜只有2个，测得的距离精度还不够。因此，如果说宇宙的年龄被更新了，还为时尚早。但毫无疑问的是，这个方法是对哈勃常数现有测定结果的有益补充。随着观测数据的丰富，哈勃常数的争议或将最终得到解决。
