宇宙的年龄为137亿年是如何计算出来的？

宇宙诞生于距今137亿年是怎么算出来的~

p埃德温·哈勃(Edwin Hubble)以及其他人在20世纪20年代所做的观测表明,我们生活在一个正在膨胀的宇宙之中.星系正以一种对称的方式彼此飞散开来,暗示着空间本身的结构正在伸展.哈勃常数(Ho)是当前宇宙膨胀速率的一个指标,也是确定宇宙年龄的关键参数.
原因很简单：Ho是星系之间彼此远离的速率；因此,如果不考虑任何的加速和减速,Ho的倒数就确定了一个时间,也就是当初所有的物质都必然聚集在一起的时刻.Ho的数值还在星系的成长、轻元素的产生和宇宙演化阶段的时间定标方面,起到了一定的作用.因此,准确地测定哈勃常数,从一开始就成了与它同名的太空望远镜的主要目标之一,这也不足为奇.
在实际操作中,确定这个数值就意味着要测定邻近星系的距离——这项以困难而著称的任务曾在20世纪引发了一场异常激烈的论战.哈勃太空望远镜对31个星系之中的造父变星(Cepheid variable)进行了权威的研究,这类恒星与众不同的脉动透露了它们的本征亮度,暴露出它们的距离.
[注：造父变星是一类奇特的变星,它们的变光周期与本身的亮度之间,存在着一一对应的关系.因此测得亮度变化周期(非常容易测量),就能推算它们的亮度.再结合恒星表现出来的亮度,根据近亮远暗的规律,就能确定这颗恒星的距离.因此,造父变星又被称为“量天尺”.］
通过这种方法得出的Ho数值,精度达到10%左右.再加上对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)的测量,哈勃常数的数值表明,宇宙的年龄为137亿年

毫无疑问，宇宙自宇宙大爆炸以来已经存在了138亿年，而且科学家们对这个数字非常有信心。事实上这个数字的不确定性（误差）不到估计年龄的1%。但在过去一直是错误的（过去有很多宇宙年龄的数据，如200亿岁，150亿岁，137亿岁，30亿岁等等），现在最精确的138.17亿岁可能又错了吗？

如果你看得足够远，能看到的最远的时间是138亿年：我们对宇宙年龄的估计，但这是正确的吗？图片：NASA / STScI / A. Felid
开尔文勋爵估计太阳的年龄在20到4000万年之间，因为他的模型没有(不)包括量子力学和相对论。当我们观测宇宙的时候是否有可能犯类似的错误？让我们来看看历史问题，然后跳到现代的情况去了解更多吧。

估计宇宙的时间，星星群、恒星和星云在我们银河系是很有用的，但是如我们缺乏了解恒星的过程导致了我们的太阳系的年龄估计错误，是否也会弄错宇宙的年龄呢？图片：ESO / VST survey
在19世纪末关于宇宙的年龄存在着巨大的争议。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)从生物学和地质学的研究中得出结论，如果不是几十亿年的话，地球本身至少要有几亿。但凯尔文爵士看恒星是如何运行得出的结论是：太阳本身需要更年轻。他所知道的唯一反应是化学反应，如燃烧和重力收缩，后者最终证明了白矮星的能量是如何得到的，但要放出那么多的能量，就相当于太阳的生命周期只有数千万年。

从太阳太阳耀斑，到远离我们的恒星抛射物质，进入太阳系是微不足道的核聚变的质量损失降低了太阳的总质量的0.03%的起始值：损失相当于土星的质量。然而在我们发现核聚变之前无法准确地估计出太阳的年龄。图片：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC
当然，几十年后随着核反应的发现以及爱因斯坦的E = mc2在太阳中发生的氢聚变的应用，这个问题得到了解决。当充分计算后才意识到太阳的生命周期将会在10 - 120亿年间，而我们太阳系的存在已经有45亿年了。太阳的年龄(来自天文学)，地球(来自地质学)，生命(来自生物学)都排列成连贯一致的图像。

太阳、地球和地球上的生命历史都有一个稳定的时代，但在19世纪末期地球年龄的证据表明它明显比太阳大（但这是错误的）。图片：ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA
有两种方法来计算今天宇宙的年龄：观察单个恒星和星系的年龄，并研究膨胀宇宙的物理学。恒星本身是不那么精确的度量，因为我们只能在一瞬间看到它们，然后再推断恒星的演化倒退。这在拥有大量恒星数据的时候很有用，比如球状星团，但对单个恒星来说更困难。这种方法很简单：当大量的恒星聚集在一起时，它们的大小和颜色各不相同，从热的、大的和蓝色的，到冷的、小的和红色的。随着时间的推移更大的恒星燃烧它们的燃料的速度是最快的，所以它们开始演化，直到死亡。

恒星的生命周期如图所示的颜色/震级图的上下文中理解。随着恒星年龄的增长，数据图表信息的变化，使我们能够确定恒星集群星系的年龄。图片版权：Richard Powell under c.c.-by-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall under c.c.-by-s.a.-1.0 (R)
因此如果观测到幸存者，就可以确定恒星的年龄。许多球状星团的年龄超过120亿年，有些甚至超过130亿年。随着观测技术和能力的进步不仅测量了单个恒星的碳、氧或铁含量，而且还利用了铀和钍的放射性衰变丰度，结合宇宙中第一个超新星产生的元素，我们可以直接追溯到它们的年龄。

SDSS J102915 172927是一颗古老的恒星，它的重量只有太阳所拥有的重量的1 / 2万，它的年龄应该超过130亿年——宇宙中最古老的恒星之一，甚至在银河系之前就已经形成了。图片版权：ESO, Digitized Sky Survey 2
这颗恒星的质量约为太阳质量的80%，它只含有0.1%的太阳铁元素，而且它的放射性元素丰度达到了132亿年。在2015年一组九恒星银河系中心附近被追溯到135亿年前形成，大爆炸之后仅仅300000000年，银河系的初始形成之前，其中一个有不到0.001%的太阳铁：有史以来最原始星。有争议的是有一颗玛士撒拉星，它的出现在144.6亿年的时间里，尽管存在着大约8亿年的不确定性。
但有一种更好、更精确的方法来衡量宇宙的年龄：通过宇宙的膨胀。

我们宇宙未来的四个可能的命运：最后一个似乎是我们生活的宇宙由暗能量主导。宇宙中存在的东西以及物理定律，不仅决定了宇宙的发展，也决定了宇宙的历史。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
通过测量今天的宇宙，距离物体的移动距离，以及它们在附近的距离，在中间的距离，以及最大的距离，科学家们就可以重建宇宙的膨胀历史。现在知道我们的宇宙由大约68%的暗能量、27%的暗物质、4.9%的正常物质、0.1%的中微子和0.01%的辐射组成。我们也知道这些成分是如何随着时间演变的，宇宙遵循广义相对论的定律。把这些信息结合起来，形成一个单一的、引人注目的宇宙起源的图景。

三种不同类型的测量，遥远的恒星和星系，宇宙的大尺度结构，以及宇宙微波背景的起伏，告诉我们宇宙的膨胀历史。图片版权：NASA/ESA Hubble (top L), SDSS (top R), ESA and the Planck Collaboration (bottom）
在几秒钟内宇宙是一团电离粒子和反粒子，最终冷却并允许在几分钟后形成剩余的原子核。38万年后第一个稳定的中性原子形成。在几千万到几亿年间引力将这个物质聚集到恒星和星系中。在数十亿年的时间里，星系融合在一起，形成了我们今天所看到的宇宙。从各种来源收集的数据，包括宇宙微波背景，星系的大规模聚集，遥远的超新星，重子声学振荡，到达了一个单一的，引人注目的图景：一个已经有138亿年历史的宇宙。

整个已知宇宙的宇宙历史表明应该从它的所有物质的起源，以及所有的光，最终到宇宙膨胀的到结束和从炙热的大爆炸的开始，从那时起已经经历了138亿年的宇宙演化，这是由多个来源证实的图像。图片：ESA and the Planck Collaboration / E. Siegel (corrections)
有一些不确定因素，维基百科引用我们的宇宙是13.799±00.21亿岁了。如果在某个地方有一个系统性的错误，那么2100万年的不确定性很容易得到5到10倍。目前关于膨胀率(哈勃常数)目前存在争议，CMB表示它接近67公里/ s/ Mpc，而恒星和超新星指向更接近74公里/秒/ Mpc。在暗物质/暗能量组合中存在不确定性，有些测量的比例为1:2，而另一些则为1:3或介于两者之间。根据这些谜题的分辨率，可以想象宇宙可能会像137亿年那样年轻，或者高达140亿岁。

测量宇宙膨胀历史的一种方法是，回到我们能看到的第一束光，那时宇宙只有38万年。另一种方法不会倒退到很远的地方，但也有可能被系统错误所污染。图片：European Southern Observatory
然而不太可能的是，这个138亿年前的数字将会有一个重大的修正。即使有比我们所知道的力、粒子和相互作用更基础的物理，它们也不太可能改变恒星如何运作的物理学，如何随着时间的推移而运作，宇宙如何膨胀，以及辐射/物质/暗能量如何构成我们的宇宙。这些事情都是有差异的，受约束的，而且正如人们所理解的那样，即使暗能量演化，像G、c或h等基本常数随着时间变化，或者标准模型粒子可以进一步分解，宇宙的年龄也不会从大爆炸到现在的改变。

宇宙的年龄是指自大爆炸开始至今所流逝的时间，当今理论和观测认为这个年龄在一百三十六亿年到一百三十八亿年之间[1]。这个不确定的区间是从多个科研项目的研究结果的共识中取得的，其中使用的先进的科研仪器和方法已经能够将这个测量精度提升到相当高的量级。这些科研项目包括对宇宙微波背景辐射的测量以及对宇宙膨胀的多种测量手段。对宇宙微波背景辐射的测量给出了宇宙自大爆炸以来的冷却时间，而对宇宙膨胀的测量则给出了能够计算宇宙年龄的精确数据。
美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器计划中所估计的宇宙年龄为(1.373 ± 0.012) × 1010 年
也就是说宇宙的年龄约为一百三十七亿三千万年，不确定度为一亿两千万年[1]。不过，这个测定年龄的前提依据是威尔金森微波各向异性探测器所基于的宇宙模型是正确的，而根据其他模型测定的宇宙年龄可能会很不相同。例如若假定宇宙存在有相对论性粒子构成的背景辐射，威尔金森微波各向异性探测器中的约束条件的误差范围则有可能会扩大10倍。测量通过判断微波背景辐射能谱中的第一个声学峰值的位置来确定退耦表面的大小（在表面复合时宇宙的大小），光到达这一表面的时间（取决于宇宙的时空几何结构）能够给出一个可靠的宇宙年龄值。在假设所用模型的正确性的前提下，观测中的剩余误差上限在1%左右。这个宇宙年龄值是最常被天文学家们引用的值。

根据观测到的最遥远的天体的距离来计算。目前能观测到的最遥远的天体的距离是137亿光年。

光年作为距离单位时是指光一年所走的路程，大致是9.4607*10^12千米。在天文学上，光年不仅仅指的是距离，还代表了时间。1光年，指的不仅仅是目标离我们有一光年的距离，还指的是我们看到的是目标1年前的样子。所以，我们能看到最遥远的天体，同时看到的还是最古老的天体。137亿光年，不仅仅是这个天体离我们的距离，还是我们看到的最古老的天体了，因为我们看到的是137亿年前的天体。但是宇宙真实的年龄还是无法测定。我们只能说，宇宙年龄至少是137亿年。

可能幼稚出来的

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延吉市15163724912： 怎么算出来如今离宇宙大爆炸137亿年的 - ？
策向中诺： 利用宇宙辐射,也就是大爆炸时产生的光和热的残留,光谱红线可以推断距离,然后根据这一距离推断时间,只要算出最原始的辐射就能算出宇宙大爆炸离现在大概多少年.

延吉市15163724912： 宇宙诞生于距今137亿年是怎么算出来的 - ？
策向中诺： 不是算的,是测量的;很多科学机构通过宇宙微波背景辐射和时间光锥等,进行大量的观测与测量后,得出的一个大概的数值;当今理论和观测认为这个年龄在一百三十六亿年到一百三十八亿年之间.

延吉市15163724912： 怎么算出来如今离宇宙大爆炸137亿年的？
策向中诺： 宇宙年龄等于哈勃常数的倒数.我们知道宇宙是在不断膨胀的,而哈勃常数为宇宙中其它天体远离我们的速度与它们离我们的距离之比,通过观测计算出哈勃常数变可知道宇宙年龄.

延吉市15163724912： 宇宙的年龄是如何计算出来的? - ？
策向中诺： p埃德温·哈勃(Edwin Hubble)以及其他人在20世纪20年代所做的观测表明,我们生活在一个正在膨胀的宇宙之中.星系正以一种对称的方式彼此飞散开来,暗示着空间本身的结构正在伸展.哈勃常数(Ho)是当前宇宙膨胀速率的一个指标,...

延吉市15163724912： 关于宇宙年龄的一个问题我们都知道,之所以大家公认为宇宙的年龄是137亿年,是因为通过哈勃望远镜,我们拍到了最远的距离,也就是宇宙的最初,经... - ？
策向中诺：[答案] 不是你这么理解的,137亿光年的前的光,在经过了这段时间以后才到达地球,这前提是,地球是处在宇宙边缘,所以才在这段时间以后到达了地球,而不是87亿年才形成我们地球,然后这光在50亿年以前已经经过地球. 你的理解就是错误的,都说...

延吉市15163724912： 宇宙的年龄大约在? - ？
策向中诺：[答案] 宇宙年龄 开放分类: 宇宙、天文、年龄、天文术语 宇宙年龄(universe,age of)宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔.对... (spectrum),从而计算出这星球的年龄是一百二十五亿年,这个估计的误差大约三十亿年,是亦即是说,宇宙的年龄至少...

延吉市15163724912： 宇宙年龄的计算方法,用求出其他恒星的年龄得出最大值 - ？
策向中诺： 根据目前的大爆炸理论和哈勃常数推算,宇宙的年龄是137.2(误差1.2)亿年.目前人类观测到的最远类星体为136亿光年. (大爆炸理论、哈勃常数、类星体等可参见百度百科) “用WMAP(宇宙背景辐射各向异探测器)再加上Ia型超新星和SDSS的观测综合的结果,哈勃常数H=70.5(误差1.3),宇宙的真实年龄为137.2(误差1.2)亿年.(SDSS为美国大学天文联盟“斯隆数字巡天”)【资料来源于《天体物理学杂志》ApJS,180.】宇宙的年龄现在流行的137亿年是一个“光动距离”值:也就是说,光源自发出光后,在到达我们地球的时间.但实际上,光源发出光后,光源本身仍在运动,这种距离叫做“共动距离”,这个值约是400亿光年.

延吉市15163724912： 宇宙的年龄是多少? - ？
策向中诺： 2013年3月21日,欧洲航天局公布了太空探测器传回的宇宙微波背景辐射全景图,把宇宙的精确年龄修正为138.2亿岁,随着研究的进一步推进,有些科学家大胆预测,宇宙的实际年龄可能要比我们想象的还要年轻,大概是137亿岁.

延吉市15163724912： 宇宙的年龄是怎么计算出来的?？
策向中诺： 宇宙究竟年方几何 天文学家推算为130亿—140亿年 新华社华盛顿4月24日电 (记者毛磊)天文学家们24日说,他们利用“哈勃”太空望远镜观测到了迄今所发现的银河系中最古老的白矮星,这为确定宇宙年龄提供了一种全新的途径.新推算出...

延吉市15163724912： 宇宙直径是780亿光年是怎么算出来的?宇宙爆炸前是什么? - ？
策向中诺： 宇宙的年龄大约是137亿年.光从最早已知的星系到达我们地球要穿行130亿年以上.因此我们可以假定宇宙的半径是137亿光年,那么整个宇宙的长度是宇宙半径的2倍,即274亿光年.但是自创生以来一直在不断的膨胀,并且理论学家相信宇...