体积、质量、寿命……科学家“这样”测量宇宙

• 2021-12-19 09:06:41 来源：参考消息

参考消息网12月18日报道西班牙《趣味》月刊发表10月号文章《宇宙的测量》，作者斯图尔特·克拉克，全文摘编如下：

现代天体物理学的很大一部分在于计算数字，包括天体形成时间、质量和预期寿命等，以便更好地理解包罗万有且神秘莫测的宇宙。本文总结了迄今为止人类对宇宙已有的了解。

宇宙的年龄

一个世纪前，如果你问一位宇宙学家宇宙的年龄有多大，得到的答案很可能是“无穷大”。这是回避有关它是如何形成的问题的一种巧妙方法。这种想法在1917年阿尔伯特·爱因斯坦通过他的广义相对论提出静态宇宙模型时就已经过时。

广义相对论描述了引力，这是一种塑造宇宙的力，是物体扭曲其时空结构的结果。上世纪20年代中期，比利时天体物理学家乔治·勒梅特称，根据该理论，宇宙不是静止的，而是在膨胀，因此在过去会比现在小。

勒梅特的“宇宙膨胀说”，即一切最初起源于一个“原始原子”的爆炸，在上世纪60年代发生了变化。当时天文学家发现了宇宙中最古老的光，即宇宙微波背景。这表明一切都开始于一个炽热、密集的状态：大爆炸。

如今，大多数宇宙学家相信这发生在大约138.5亿年前。该数字基于对宇宙扩张的估算。这里存在一些不确定性，因为估算该速率的方法会产生不同的值（请参阅下文“宇宙膨胀率”）。宇宙可能的年龄范围在120亿到145亿年之间。

我们可以将其与我们所知道的最古老恒星交叉验证。很明显，HD 140283，又名玛土撒拉星，是非常古老的，因为它几乎完全由氢和氦组成，这是大爆炸后存在的主要元素。现在，天文学家估计它有144.6亿年的历史。这一数字意味着它的年龄可能比宇宙还要大一点。

但是，我们已知最古老天体的年龄与我们估算的宇宙年龄非常相近，这一事实表明研究宇宙学的标准模型具有相当大的可信性。宇宙的存在时间已经不再是个谜团。但是关于宇宙的其他一些特性，我们依然知之甚少。

宇宙的体积

如果你抬头仰望夜空一段时间，可能会提出这样的问题：天空的尽头在哪里？在人类历史上的大部分时间里，人们一直认为宇宙是与地球以及地球周围其他星球分隔开来的，就像是有一个“无人区”存在于我们和天空之间。然而，自从17世纪的科学革命之后，天文学家构想出许多测量天体之间距离的方法。

这些方法在整体上被称为“宇宙距离阶梯”。美国俄勒冈大学专家詹姆斯·舍姆贝特说：“这就像是一个系统，宇宙距离阶梯的每一级都支撑着下一级，最终会到达那些最遥远的天体。当然它们必须具有足够的亮度，这样才能被宇宙距离阶梯所发现。”宇宙距离阶梯系统中最大的组成部分包括星系和超新星等。

这意味着我们能够测量整个宇宙的大小，或者至少可以努力尝试这样做。目前人类已发现的最遥远星系距离我们约134亿光年，名为GN-z11。这意味着GN-z11发出的光需要134亿年才能到达地球。这一时间与宇宙的年龄差不多。但是在这段时间内，GN-z11的时空结构可能会扩张。根据对已知可观测宇宙部分的计算，天文学家估计宇宙的直径大约为930亿光年。但这只是基于我们现在能看到的最远天体的数字。

宇宙膨胀率

宇宙的时空结构变得越来越大。这方面可观测到的证据出现在1929年，当时美国天文学家埃德温·哈勃发现，遥远的星系正在以相当快的速度离我们远去。我们甚至可以测量出这种膨胀的速度。这需要测量许多星系之间的距离，然后将这些距离与相应星系的红移进行比较。

在21世纪之初，科学家借助哈勃太空望远镜的数据计算出宇宙当前的膨胀速度接近75公里/秒/百万秒差距，1百万秒差距（Mpc）约合326万光年。天文学家认为他们已经清楚得到了宇宙膨胀率，现在要做的是测量这一速度会随着宇宙中引力的变化发生多大程度的减慢。

但是，关于宇宙膨胀率的疑问在2013年进一步扩大。2013年3月发布的图片显示了欧洲航天局“普朗克”号探测器观测的宇宙微波背景。这一宇宙微波背景提出了涉及宇宙年龄和构成的一些有待解答的新问题。

宇宙的质量

长期以来，测量整个宇宙中所有物体的总质量一直是困扰科学家们的一大难题。最大的难点在于，宇宙似乎有很大一部分是我们目前无法观测到的。

这里我们遇到了暗物质的问题。之所以这样命名，是因为它们不会与光产生互动关系。这就为我们估算星系质量带来了更大的困难。

迄今为止，我们尚未找到暗物质。但是，通过研究分析宇宙微波背景（体现宇宙中物质和能量相互作用的指标）体现出的温度波动，物理学家可以估算出暗物质相对于常规物质的质量水平。所有看得见的天体物质只占宇宙总质量的大约5%。除了这些天体，宇宙大多数的组成部分是暗能量和暗物质，这二者加起来约占宇宙总质量的95%，其中暗能量约占68%，暗物质约占27%。

宇宙的形状

当天文学家说起宇宙的几何特征时，通常指的是宇宙时空结构的整体形状。在我们处于膨胀中的宇宙形状问题上，主要存在两种可能性。

如果宇宙所有物质产生的引力比宇宙的膨胀力更为强大的话，一切都将向中心聚拢。这样一来，我们将得到一个封闭的球体宇宙。有些科学家认为这样产生的结果将是环状的宇宙。

但是，如果推动宇宙膨胀的力强于宇宙物质的引力，我们将得到一个永远处于离散状态的宇宙，或者说一个保持开放状态的宇宙。

然而，似乎存在介于这两种可能性之间的一种微妙平衡。在这方面的研究分析中，“宇宙膨胀说”可以帮助我们解释一些现象。

宇宙的未来

在发现暗能量之前，人们认为是一种神秘的力量将时空结构分隔开来。宇宙的未来取决于几何学层面的因素。有人说，宇宙是封闭的，将会通过一次大坍缩自我瓦解。也有人认为，宇宙是开放的，将会永远扩张下去。然而，现在宇宙学的标准模型认为，我们身处一个平的宇宙中，得益于暗能量，宇宙将永远扩张下去。

如果所谓的暗能量是一个宇宙学常量，也就是说，它不会随着时间的流逝而发生波动，那么宇宙的扩张也将变成一个常量。“我们实际上终将变得孤单。”英国伦敦大学玛丽皇后学院的天文学家特莎·贝克说。

在这种通常被称为“宇宙的热死亡”或“大冷却”情景中，所有的恒星都将消失，黑洞将增长，其他物质的温度将趋向一致。于是，能量将无法流动，渐渐地，宇宙将进入一种宇宙学上的衰老状态。在这种死气沉沉的状态下，将不会再发生任何重大变化。

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