图源: 欧洲航天局 / 哈勃望远镜和美国宇航局; 鸣谢: Judy Schmidt

在一个理想世界里，如果我们想要得到一个问题的答案，例如“宇宙的年龄有多大”，通常会有数量惊人的各种证据共同指向同一个答案。但实际上，答案通常有两个，只是其中一个好于剩下的哪一个。

好的那个是考虑到现在宇宙正不断膨胀的事实，以及宇宙最初的星系要比现在更热，更明亮，更密集。如果我们追溯到更早的时代就会发现，由于宇宙的体积越来越小，宇宙中的所有物质不仅彼此靠得越来越近，而且宇宙中所有单个光子(光的粒子)的波长也越来越短，正是由于宇宙的膨胀使得它们变成现在这样。

图源:美国宇航局/ 戈达德宇宙飞行中心 / Dana Berry

由于光子的波长决定了它的能量和温度，所以波长更短的光子能量更大，温度也更高。随着时间的推移，温度越来越高，直到某一时刻到达大爆炸的最初阶段。这是很重要的一点: 存在一个大爆炸的“最初阶段” ！

如果我们能够推断出远古时期的“无限” ，将会到达一个奇点，在那里物理学会崩溃。随着对早期的宇宙注入现代性的理解，我们知道暴胀状态发生在炽热致密的大爆炸之前，并且持续时间是不确定的。因此，当我们在谈论“宇宙的年龄”时，通常指的是从宇宙大爆炸开始到现在的时间。

图源: Bock 等(2006，astro-ph / 0604101) ; 由e. Siegel修改

根据广义相对论的法则，要想我们这个宇宙得以产生需要具备以下条件：

最大程度上达到密度的均匀在任何地方都具备相同的基本运行法则运动方向一致大爆炸同时发生

也就是说，在宇宙的年龄和它的扩张方式之间有一种独特的联系。

图源: 美国宇航局，欧洲航天局，和 a. Feild (STScI)

换句话说，如果我们能够得知宇宙现在是如何膨胀的，以及它在整个发展历程中的膨胀方式，就能够准确地知道构成它的所有不同成分是什么。我们从一系列观察中了解到了这一点，包括：

图源: 欧洲航天局 / 哈勃望远镜和美国宇航局

通过直接测量宇宙中物体的亮度和距离，例如恒星、星系和超新星，我们可以构建宇宙距离的阶梯。

图源：斯隆数字巡天

通过对星系聚集这样大规模结构的测量，以及重子声学振荡的观测。

图源：欧洲航天局与普朗克合作

根据宇宙微波背景辐射的波动，我们可以得到宇宙仅有38万年历史时的“快照

由此汇总，便能得到今天的宇宙。一个由68% 的暗能量，27% 的暗物质，4.9% 的普通物质，约0.1% 的中微子，约0.01% 的辐射组成的宇宙，除此之外几乎没有其他东西。

但是如果你考虑到今天宇宙是如何膨胀的，我们就可以回溯到过去，了解宇宙的整个膨胀历史，再进而了解宇宙的年龄。

宇宙中不同的能量成分以及它们在什么时候 / 如何起作用。 图源: e. Siegel

在我们得到的数据中，最精确的是普朗克数据。但是从其他来源，如超新星测量、哈勃空间望远镜的关键项目和斯隆数位巡天望远镜得到的数据来看，宇宙已经有138.1亿年的历史，其不确定性仅为1.2亿年。这意味着我们对于宇宙的年龄有了99.1% 的精确把握，这是一个惊人的发现！

是的，我们有许多不同的数据都指向这个结论，但实际上，它们都使用的是相同的方法。我们只是很幸运，因为它们都指向一致的结果，但实际上，它们当中的任何单单拿出来都不足以说明“宇宙就是这样的。”相反，它们提供了各种各样的可能性，而这些不同可能性的交汇才能告诉我们，大家这个共同居住地是什么样子的。

图源: Suzuki等 (纽约超新星宇宙学计划)

假如同样是今天这个宇宙，但是由100% 的普通物质组成，没有暗物质或暗能量，那它将只会有100亿年的历史。如果宇宙拥有5% 的普通物质(没有暗物质或暗能量) ，代入的哈勃常数是50(km/s)/Mpc，而不是70(km/s)/Mpc，那么我们宇宙的年龄会是160亿年。但是，将如今的观察进行组合，我们可以自信地说宇宙的年龄是138.1亿年，不确定性也很小。 这是一项令人难以置信的科学壮举。

然而，所有这些都只是属于一种合乎逻辑的方法。它是最主要的一个，最好的一个，也是最完整的一个，而且拥有大量不同的证据。 但是还有另外一种方法，它对检查我们的结果非常有用。

图源: Joel d. Hartman，普林斯顿大学

事实上，我们知道恒星如何运作，如何燃烧它们的燃料，如何死亡。特别是，我们知道所有的恒星，当它们活着并且燃烧完它们的主要燃料(把氢熔化成氦)时，都有一个特定的亮度和颜色，并且只在这个特定的亮度和颜色上停留一定的时间: 直到它们的核心开始耗尽燃料。在这个阶段，亮度更高、蓝度更高、质量更大的恒星开始“关闭”主序列(下图彩色星等图上的曲线) ，演化成巨星和(或)超巨星。

图源: Richard Powell

通过观察这些恒星的“关闭”点，我们可以计算出星团中那些恒星的年龄有多大，如果我们知道恒星是如何运作的话。当我们观察那里最古老的球状星团时，那些重元素含量最低的同时质量最低的恒星，我们发现它们的年龄一直在132亿年左右，但也可能并没有那么老。 (请注意，在这个问题上存在十亿年左右的重大不确定性。)

球状星团梅西耶10号，美国哈勃空间望远镜图像处理中心。 图源: 欧洲航天局 / 哈勃望远镜和美国宇航局

恒星拥有120亿年及以上的年龄是非常普遍的，但是140亿年及以上的年龄是闻所未闻的，尽管在90年代有一个时期，人们经常引用140-160亿年的年龄。 (对恒星及其演化的进一步了解使得这个数字下降了。)

因此，总而言之，我们有两种方法来向证明我们的宇宙年龄在130亿至140亿年之间。一种从宇宙历史来探索，另一种来自测量本地恒星。

如果宇宙的年龄只有136亿岁或者140亿岁，甚至只有135亿岁或者141亿岁，那也不会让任何人感到惊讶。 但它不是130亿岁或者150亿岁，这一点已被确定。 我们有自信说宇宙的年龄是138亿年，现在你知道我们是如何解决这个问题的了！

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.forbes-Fitz

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