在探索宇宙奧秘的征程中,確定宇宙的年齡始終是天文學領域的一項核心挑戰。科學家們運用多種方法,從不同角度切入,試圖揭開這個關乎宇宙起源與演化的終極謎題。其中,哈勃常數法、球狀星團法以及放射性定年法,成為了測算宇宙年齡的三大關鍵手段。
哈勃常數法以宇宙膨脹為核心邏輯。宇宙自誕生以來便處于不斷膨脹的狀態,遙遠星系持續遠離地球。科學家通過觀測不同距離星系的紅移值,紅移值反映了星系遠離地球的速度,也就是退行速度。再依據哈勃定律公式v=H?d(v為退行速度,H?為哈勃常數,d為距離),將計算出的退行速度代入其中,便能反推出宇宙從誕生至今的膨脹時間,這一時間也就是宇宙的年齡。不過,哈勃常數法的準確性高度依賴對遙遠星系的觀測數據。不同觀測手段得出的哈勃常數存在差異,例如基于哈勃望遠鏡觀測近鄰星系得出的哈勃常數約為73千米/(秒·百萬秒差距),對應的宇宙年齡約為134億年;而歐洲普朗克衛星觀測團隊結合全天空微波背景輻射觀測,基于ΛCDM模型計算出的哈勃常數約為67.4千米/(秒·百萬秒差距),對應的宇宙年齡約為138億年,這一數值被視為最權威的參考值之一。
球狀星團法聚焦于宇宙中最古老的天體系統——球狀星團。球狀星團內部恒星的演化遵循著明確規律,恒星會在特定階段從主序星轉變為紅巨星,這個轉變階段被稱為恒星演化拐點。拐點的出現時間與星團的形成年齡緊密相關。天文學家通過分析球狀星團內恒星的光譜類型和亮度變化,能夠推算出星團的形成年齡。由于宇宙年齡必然大于最古老球狀星團的年齡,所以通過這種方法可以確定宇宙的最小年齡。例如,通過球狀星團測算得出的最古老天體年齡約為136億年。
放射性定年法則從宇宙化學演化的角度出發。上世紀60年代,美國天文學家威廉·福勒在研究宇宙化學演化時發現,重元素的放射性衰變具有固定的半衰期。放射性衰變是不穩定的重元素原子核自發分裂,釋放出粒子并轉變為穩定元素的過程。如果檢測到古老天體中穩定元素與放射性元素的比例,利用半衰期公式,就能推算出元素的形成時間,也就是宇宙中重元素合成階段的時間,進而反推宇宙年齡。科學家由此得出,宇宙中第一批重元素形成于大爆炸后約1億年,結合最古老恒星的重元素豐度數據,測算出的宇宙年齡約為137 - 139億年。
不同方法測算出的宇宙年齡存在明顯差距,這主要是由于觀測樣本的選擇、宇宙膨脹的不均勻性等因素導致。早期宇宙膨脹速率可能存在波動,晚期宇宙膨脹受暗能量推動正在加速,這種不均勻的膨脹狀態使得不同觀測維度的測算邏輯存在差異。而且,觀測的天體越遙遠、越古老,測算出的宇宙年齡可能越接近真實值;若觀測范圍局限于近鄰宇宙,結果可能存在偏差。不過,通過整合不同觀測數據進行交叉驗證,科學家們能夠縮小宇宙年齡的測算誤差,無限接近宇宙的真實年齡。












