宇宙到底有多大年纪？一项新的理论表明，它存在的时间是人们认为的两倍

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

星系NGC 6822，毗邻银河系，正在研究以了解更多关于早期宇宙中的恒星和尘埃的信息。图片来源：美国宇航局/詹姆斯韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的早期宇宙观测不能用目前的宇宙学模型来解释。这些模型根据大爆炸膨胀宇宙概念估计宇宙的年龄为138亿年。

我的研究提出了一个模型，确定宇宙的年龄为267亿年，这解释了JWST的“不可能的早期星系”观测。

不可能的早期星系是指一些可追溯到宇宙黎明的星系 - 大爆炸后5亿到8亿年 - 具有类似于经过长期演化过程的圆盘和凸起。而规模较小的星系显然比较大的星系质量更大，这与预期完全相反。

频率和距离

这个年龄估计是从宇宙的膨胀率得出的，通过测量遥远星系发出的光中光谱线的红移。早期对红移的解释是基于光在宇宙距离上传播时失去能量的假设。这种“疲惫的光”解释被拒绝，因为它无法解释许多观察结果。

光的红移类似于声音的多普勒效应：噪声在接近时似乎具有较高的频率（音高），而在后退时似乎具有较低的频率（音高）。红移，较低的光频率，表示物体何时远离我们;星系距离越大，衰退速度和红移就越高。

对红移的另一种解释是由于多普勒效应：遥远的星系以与其距离成正比的速度远离我们，表明宇宙正在膨胀。在贝尔实验室工作的两位天文学家Arno Penzias和Robert Wilson在1964年意外发现了宇宙微波背景（CMB）辐射之后，膨胀宇宙模型受到大多数天文学家的青睐，稳态模型无法令人满意地解释。

膨胀率基本上决定了宇宙的年龄。在1990年代哈勃太空望远镜发射之前，膨胀率的不确定性估计宇宙的年龄在70亿到200亿年之间。其他观测结果得出了目前公认的138亿年的价值，将大爆炸模型放在了宇宙学基座上。 美国宇航局的动画，展示了来自遥远星系的光如何被宇宙膨胀拉伸。

以前型号的局限性

去年发表的研究提出使用疲劳光模型解决不可能的早期星系问题。然而，疲惫的光不能令人满意地解释其他宇宙学观测，如超新星红移和宇宙微波背景的均匀性。

我试图将标准的大爆炸模型与疲惫光模型结合起来，看看它如何拟合超新星数据和JWST数据，但它不太适合后者。然而，它确实将宇宙的年龄增加到193亿年。

接下来，我尝试创建一个混合模型，包括疲惫的光和我基于英国物理学家保罗狄拉克在1937年提出的演化耦合常数开发的宇宙学模型。这很好地拟合了这两个数据，但几乎使宇宙的年龄翻了一番。

新模型将星系形成时间延长了标准模型的10到20倍，为观测到的进化良好的“不可能”早期星系的形成提供了足够的时间。

与任何模型一样，它需要为标准宇宙学模型满足的所有观测提供令人满意的解释。

混合模型

混合两种模型来解释新观察结果的方法并不新鲜。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在他的光理论中认为光作为粒子传播，该理论盛行，直到19世纪被光的波动理论所取代，以解释单色光观察到的衍射图案。

这个星系估计有5亿年的历史，使其成为最年轻的星系之一。图片来源：NASA/ESA 哈勃太空望远镜

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）复活了光的粒子状性质来解释光电效应——光具有双重特征：在某些观测中呈粒子状，在其他观测中呈波状。从那以后，人们已经确定所有粒子都具有这种双重特征。

测量宇宙年龄的另一种方法是估计我们银河系中球状星团中恒星的年龄。球状星团包括多达一百万颗恒星，所有这些恒星似乎都是在早期宇宙中同时形成的。

假设所有星系和星系团同时开始形成，星团中最古老的恒星的年龄应该提供宇宙的年龄（减去星系开始形成的时间）。对于一些恒星，如玛土撒拉，被认为是银河系中最古老的恒星，天体物理建模产生的年龄大于使用标准模型确定的宇宙年龄，这是不可能的。

爱因斯坦认为，从任何时间点观测到的宇宙是一样的——均匀的、各向同性的和永恒的。为了解释在这样一个稳态宇宙中观测到的遥远星系的红移，它似乎与它们的距离成正比（哈勃定律），瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在1929年提出了疲惫光理论。

新信息

虽然哈勃太空望远镜的一些观测确实指出了不可能的早期星系问题，但直到 2021 年 12 月发射 JWST 以及自 2022 年年中以来提供的数据，这个问题才牢固确立。

为了捍卫标准的大爆炸模型，天文学家试图通过压缩形成大质量恒星和原始黑洞以非物理高速率吸积质量的时间线来解决这个问题。

然而，一种共识正在朝着新的物理学发展，以解释这些JWST观测结果。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《宇宙到底有多大年纪？一项新的理论表明，它存在的时间是人们认为的两倍》

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