1989年,COBE卫星发射升空,这颗卫星的中文名叫“宇宙微波布景探测器”,在它的身上携带了两个主要的仪器,FIRAS(远红外绝对分光光度计)和DMR(差分微波辐射计)。
FIRAS就在多个频段上测量了微波布景辐射的能量密度,1992年研究团队按照FIRAS的数据发布了测量成果,数据显示,微波布景辐射跟2.725K的黑体谱吻合的很好。
此次测量,以前所未有的精度和无可回嘴的证据,验证了大爆炸原始火球的预言,曾经和大爆炸理论分庭抗礼长达二十几年的稳恒态理论,悄然退出汗青舞台。
当然COBE的测量成果也告诉了我们,宇宙降生今后的38万年到今天,曾经温度高达3千K的宇宙,跟着空间的膨胀,此刻已经降温到2.725K,COBE测量的误差只有0.00047K,总的来说,当今的宇宙空间只比绝对零度高了那么一点点。
不外,工作到这里还远没有竣事,微波布景辐射简称CMB,它不仅仅是证实了大爆炸理论的准确性,它作为宇宙降生今后的第一批光子,是当今人类可以或许追溯到的,最古老的宇宙图景,它必然能给我们带来一些不凡的发现。
因为在中性原子形当作之前,宇宙是一个高温等离子体,此中的光子会与带电粒子,尤其是电子发生频仍的弹性散射,所以在此之前的宇宙是漫长的不透明期间。
是以在中性原子形当作之前,宇宙到底发生了什么?我们并不克不及经由过程不雅测去实证,只能靠我们已经把握的科学理论去做出合理的猜测。
好比之前我们说的,关于大爆炸核合当作的预言,就是人们经由过程核物理、电磁学所作出的合理性展望,而且这个展望已经获得了不雅测的证实,是以大爆炸核合当作也当作为了大爆炸理论的三大基石之一。
除此之外,人们对哈勃膨胀率也做出了更为切确的测量,在1929年的时辰,哈勃那时测量星系距离的法子只有一个,就是造父变星测距法,这种方式有很大的局限性。
好比,在遥远的星系中,我们底子就分辩不出单颗恒星,因为恒星的标准和亮度跟星系比起来,的确就像是蚍蜉撼大树,何足道哉。
所以昔时哈勃只测量了22个星系的距离和红移之间的关系,最远的距离都没有跨越700万光年,所以说它测量出来的哈勃膨胀率底子就禁绝。
此刻看到的这个图片就是哈勃昔时的测量成果,横坐标是距离,竖坐标是星系的退行速度,这里需要注重的是,退行速度也叫视标的目的速度,也就是在我们视线偏向星系的活动速度。
从图中可以看出,星系的距离和退行速度之间的关系呈简单的线性关系,这个线性关系的系数就是哈勃膨胀率。从图中也可以看出来上面的数据点百里挑一。
在前面视频中我们提到过,星系退行的速度不仅仅有宇宙膨胀带来的效应,还有它自身在空间中的本动速度,所以想要测准哈勃膨胀率,就需要大量星系的数据,才能把星系的距离和因为空间膨胀所带来的退行速度之间的关系拟合得加倍精确,所以就需要大量星系的数据去无限的迫近真实的宇宙膨胀率。
那么此中测量星系退行速度的方式很简单,就是测量星系光谱中接收线的多普勒红移,就能算出它的视标的目的速度,独一比力坚苦的是测量星系和我们距离。
说白了就是,造父变星在远距离上用不了,所以我们需要找到一个可以在更远的距离上给星系测距的法子,这个难不倒科学家。
相信您听过Ⅰa型超新星测距法,这是我们今朝所知适用距离最远的测距方式,测距的规模可以达到数百亿光年。
Ⅰa型超新星能被看成尺度烛光利用,是因为它的亮度很高,爆发时可以跨越整个星系的亮度,其次是所有的Ⅰa型超新星爆发的时辰,它的本征亮度都是一样的。
因为1a型超新星爆发的机理很是的纪律,传闻过钱德拉塞卡极限吧。说的是,当一颗白矮星偷伴星的氢气,使他的质量达到1.4倍太阳质量的时辰,就会点燃焦点的氦聚变,发生爆炸,这就是1a型超新星。
是以所有的1a型超新星本征亮度都一样,我们可以测量它的视亮度,操纵简单的平方反比关系就能知道它和我们之间的距离了。
除了1a型超新星以外,还有一些其他的测距法子,科普的话一般很少会提到这些,好比图里-费舍尔关系法、法贝尔-杰克逊关系法,概况亮度波动法等等这些法子,他们测量的距离凡是在数十亿光年。
此刻看到的这张图片是哈勃太空千里镜不雅测的成果,此中的测距法子就是我上面说的那几种,测量的距离比哈勃昔时测量的距离远了几百倍。
就今朝来说,我们已经把哈勃膨胀率批改到了每百万秒差距每秒68千米,误差正负4千米。那说了这么多,这跟宇宙的春秋有啥关系?
有关系!您想一下,我们的宇宙是从一个点爆开的,此刻距离我们326万光年的星系,它的退行速度是每秒68千米,好,那我问您一个问题。
一个退行速度每秒68千米的星系从银河系的身边,跑到326万光年,需要多长时候?这不就是简单的小学应用题吗?确实是这样的,哈勃膨胀率可以告诉我们宇宙的春秋,就是哈勃膨胀率的倒数,也就是1除以哈勃膨胀率就是宇宙的春秋。
但问题是这样计较的前提是,宇宙需要一向连结匀速膨胀的状况,也就是从宇宙降生到此刻哈勃膨胀率一向是一个常数。
很显然,真实的宇宙并不是这样的,我们宇宙的膨胀率受到了此中能量存在的形式,以及含量的影响,说白了就是宇宙中到底都有些什么?这些工具占宇宙能量形式的比例是几多?
很显然,我们的宇宙中有通俗物质,也就是有质子、中子、电子构成的物质,然后我们经由过程不雅察星系、星系团的质量,扭转体例,大标准布局的堆积形式,知道了此中还有一种看不到的,可以发生引力的物质,叫暗物质。
经由过程测量宇宙今天的膨胀状况,我们发现宇宙在加快膨胀,加快就意味着有一种能量在匹敌着万有引力,所以我们认为宇宙中还有一种看不见的能量形式,叫暗能量。
所以我们按照CMB宇宙微波布景辐射、SNe超新星数据、BAO重子声学振荡,综合不雅测的成果发现,我们宇宙的能量形式包罗,68%暗能量,27%暗物质,4.9%通俗物质,0.1%的中微子,大约0.01%的辐射粒子。
这些能量形式除了暗能量以外,都在阻碍着宇宙的膨胀,所以我们认为在早期的宇宙中,我们履历很长一段时候的减速膨胀的状况,因为在那时宇宙的体积很小,辐射和物质的能量密度要高过与暗能量的能量密度。
所以在减速膨胀的那段时候,宇宙有辐射和物质本家儿导,一向处在减速膨胀的状况傍边,正因为如斯,宇宙才在数十亿年间形当作了恒星、星系、星系团等等这些大标准布局。
可是辐射和物质有一个特点,他们会跟着宇宙的膨胀密度降低,但暗能量并不会这样,所以在宇宙膨胀到必然的标准今后,暗能量的密度就起头反超物质密度,掌控了宇宙的膨胀,使得宇宙从降生后的减速,酿成了加快状况。这个时候大约发生在50亿年前。
我们此刻知道了宇宙的构成当作分,它们的比例,以及它们如何影响宇宙的膨胀汗青,然后在经由过程测量今天的膨胀率,我们就能大致的算出宇宙的春秋大约就是138亿年。
当然,这个过程超等复杂,这都是大量的科学团队发了大量论文今后确定的,不是一篇科普文章可以或许讲清晰的,当然以我的能力,我具体也说不清晰此中的细节,这都是科学家的事。
但我说的总体上的科学方式是没有问题的,绝对够得上是准确的科普。其实科学家对它们算出来的宇宙春秋也不安心,因为在推导的过程中存在良多的不确定的身分和猜测。
所以它们必需找一个法子来验证宇宙的春秋,就是宇宙中的恒星!恒星大约呈现在宇宙降生今后的几亿年间,所以宇宙中最古老的恒星其实跟宇宙的春秋都差不多。
此刻我们不雅察一个星团,把此中所有的恒星按照它亮度和颜色进行归类,也就是放在一个坐标图中,按照大量的数据点,您就会发现一个简单了然的关系。
此刻我们看到的就是,恒星的赫罗图。在此中您可以发现,一个星团中大部门的恒星都处在本家儿序星阶段,也就是氢到氦聚变的阶段,这个阶段会占到恒星寿命的90%以上。
所以我们只需要不雅察一个星团中的恒星离开本家儿序星的环境,在此中找质量最小的恒星,看他此刻几多岁了,我们就能知道这个星团几多岁了。
今朝我们发现,我这里说的是已经确定公认的,星团的春秋大约在132亿岁摆布,很合适我们关于宇宙春秋的猜测。
当然比来仿佛有一个动静,说发现了140亿岁的恒星,跨越了宇宙的春秋,挑战了当今的宇宙学。其实我感觉这也没啥,若是真有140亿岁的恒星,跟138亿年的宇宙也差不了几亿岁,究竟结果我们的宇宙春秋就是猜测出来的,并不是严密的计较成果。
好了,今天的内容就到这里,这节课我们接着说微波布景辐射。







