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宇宙诞生才138亿年,一颗恒星却有160亿岁,大爆炸理论错了吗?

1927年,美国天文学家哈勃首次发现,在地球上接收到的来自遥远恒星发出的光线,其光谱的谱线并不在标准波长的位置上,而是谱线的波长都被加长了,相当于谱线向红端移动了,于是发现了“宇宙红移”现象,据此奠定了宇宙正在膨胀的理论基础。

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宇宙的年龄

通过宇宙膨胀的速率、宇宙微波背景辐射等观测结果,科学家们利用反推法,推算出现有宇宙在138亿年前,来源于奇点的大爆炸,这个奇点的质量无限大、体积无限小、能量无限高,在奇点之外没有任何时间与空间。

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随着奇点内部量子涨落现象的发生,奇点在一瞬间向外膨胀,将无穷多的物质和能量播撒出去。待到大爆炸38万年之后,“炸”出的宇宙空间才从“浓稠”的“宇宙汤”状态冷却下来,光子才穿越出来,宇宙从此走出了黑暗时代。

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后来,逐渐才形成了自由原子、电子,继而结合成最简单的气体分子氢和氦,在万有引力作用下开始发生聚集。当聚集的氢和氦越来越多,核心区的温度和压力达到一定程度以后,在量子隧穿效应的加持下,氢元素开始在核心区发生核聚变反应,宇宙中第一批恒星才开始形成。由此可见,宇宙中的恒星,肯定是滞后于奇点大爆炸的,也就是说,无论多古老的恒星,其年龄都不可能大于138亿岁。

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“超过宇宙年龄”的恒星

然而,科学家们在对一颗观测时间很久的恒星进行年龄测定时,发现这颗恒星的年龄异常古老,甚至超过了138亿年,达到了惊人的160亿岁,这明显与刚才的宇宙诞生和演化模型不符。这颗古老的恒星编号为HD 140283,位于天秤座方向,距离地球约190光年。

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HD 140283被发现以后,由于距离地球较远,观测条件不够先进,这颗看似“普通”的恒星就很少有人再继续关注了。不过,随着哈勃太空望远镜的升空,对全天空的恒星开展了比较精密的观测,得到了很多之前始终没有的珍贵数据。有科学家对哈勃观测的恒星数据进行了系统分析,当研究到HD 140283时,计算出该恒星的年龄少说有也146亿年以上,最大值甚至能达到160亿年,显然这与宇宙诞生的时间相悖。

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后来,欧洲航天局根据依巴谷卫星的测量结果,又再次印证了这一结论。于是,HD 140283成为被人类发现最为古老的恒星之一,并且以圣经中最长寿的人物“玛土撒拉”命名。与此同时,该恒星与宇宙年龄产生的“年龄悖论”,也成为科学家们争相研究的重点课题。

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需要说明的是,无论是哈勃太空望远镜,还是依巴谷卫星,它们所收集到的有关恒星光谱数据、光度数据、距离数据等等,都是真实无误的。那么造成这个悖论的原因,只能有两个,要么是宇宙的年龄推算有错误,要么恒星的计算方法有问题。

宇宙年龄的推测发生了错误?

除此之外,近年来科学家们对宇宙膨胀的速率测算,又有了新的发现。2013年时,欧洲普朗克卫星通过观测到的宇宙微波背景辐射等相关数据,测算出宇宙膨胀的速率为67.4公里/(秒*百万秒差距),在此基础上推测出宇宙的年龄为138.2亿年。但近几年,科学家们对哈勃常数又进行了精密测量和修正,认为宇宙膨胀的速率将达到82左右,通过这个速率来测算的话,宇宙的年龄将缩短到114亿年。这个结果,将进一步拉大HD 140283的“年龄悖论”问题。

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至于能产生这个悖论的第一个原因,宇宙年龄出现了错误,在这一点上,一个是到目前为止,科学家们还没有意识到相关观察的误差存在,第二是宇宙的演化模型根本不正确。但是,从目前的宇宙学理论研究来看,对宇宙演化的基本模型,已经解释通了很多疑难问题,已经成为科学界的共识,在这方面如果没有出现颠覆性的反例,或者足以推翻之前理论的突破性创新,想重新确立宇宙演化模型是根本不可能的。

而对于观测的误差,这一点不容否认,但是,无论是利用后来的引力波探测,还是造父变星的观测,抑或是对暗能量假设的搜寻,都会使科学家们对宇宙观测的精确度进一步提高,特别是在暗能量假设的基础上,科学家解释了宇宙不断加快膨胀的事实。因此推测的“宇宙年龄出现了错误”可能性不大,即使精度仍有欠缺,但不会颠覆已有结论。

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原来是恒星自身的问题

那么,造成悖论的原因,是否是该颗恒星年龄的计算方法出现了问题呢?我们知道,质量越大的恒星,其内部核聚变反应的强度也越大,那么在相同数量的氢元素组成情况下,消耗完毕这些氢元素的时间就越少,因此恒星的寿命也就越短。

在测定遥远恒星的年龄时,科学家们首先要做的是通过观测接收到的光谱数据,来判别恒星的类别,即到底是内部核聚变反应异常强烈的蓝矮星,还是反应强度中等的黄矮星,或许是反应强度较低的橙矮星或者红矮星。

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此后,在确定恒星的阵营之后,再根据恒星的光度会随着时间的流逝而逐渐增加这个原理,然后推测出该颗恒星的光度和质量,最后依据这些参数来确定恒星的年龄。

拿HD 140283来说,据这颗恒星的光谱数据显示,其组成成分以氢和氦为主,几乎没有铁这种对于恒星来说的“重金属”,其内部铁元素的含量仅为太阳的1%左右,是一颗典型的贫金属恒星,这说明这颗恒星的质量较小,内部核反应的强度很弱,只能进行从氢到氦的核聚变反应。而恒星内部微量的铁元素,则说明该颗恒星极有可能是宇宙大爆炸之后,所形成的第二批恒星,第一批古老恒星通过超新星爆发,生成了铁等“重金属元素”,随后这些元素在漫长的演化中再次聚集,成为了HD 140283的一部分。

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正是由于HD 140283内部的核聚变反应非常“顺利”,而且进展异常缓慢,所以表现出来的光度值,与太阳等“正常”恒星显得格格不入。科学家将不能反映真实情况的光度值代入恒星年龄计算公式后,最终得出了超出宇宙年龄的结果。近年来,科学家们通过一系列的参数修正,并且考虑了相应的误差后,将这颗恒星的年龄下限确定为132亿年左右,从而解决了“宇宙年龄悖论”的问题。

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