浙江
天文學家近日利用銀河系中逾15.5萬顆恒星的年齡，獨立估算出宇宙年齡，結果顯示宇宙至少約有137億年歷史，為目前廣泛接受的約138億年“標準宇齡”提供了新的有力證據。 相關研究已于7月1日提交至預印本平臺 arXiv，進一步指向：解決困擾宇宙學界多年的“哈勃張力”問題，可能需要在“后期宇宙”尋找答案，而非推翻整個標準宇宙學模型。
宇宙年齡的測定，與所謂“哈勃張力”密切相關。 當下有兩條主要路徑用來測量宇宙膨脹速率（即哈勃常數）：一是利用宇宙大爆炸“余輝”——宇宙微波背景輻射（CMB），在標準宇宙學模型（ΛCDM）假設下推算宇宙膨脹歷史，得到近似138億年的宇宙年齡；另一條則依賴本地宇宙的直接觀測，包括造父變星和超新星等“標準燭光”，給出的膨脹速率更高，對應的宇宙年齡只有約125億到129億年。 兩種方法在哈勃常數數值上相差約9%，這一“對不上的賬”被稱為“哈勃張力”。
此次新研究由英國樸茨茅斯大學的 Indranil Banik 領銜，團隊沒有從整體宇宙學模型入手，而是轉向銀河系內最古老的一批恒星，將它們視作記錄宇宙早期歷史的“化石”。 研究團隊指出，如果能找到一顆約有130億年歷史的恒星，那么宇宙的實際年齡必然要更大一些，因為恒星在宇宙大爆炸之后的形成也需要一定時間。
在具體工作中，團隊首先選取了247103顆所謂“次巨星”作為樣本，這類恒星剛剛脫離主序星階段，其內部結構和演化階段使得年齡更易被精確估算。 這些恒星數據來自中國郭守敬望遠鏡（LAMOST）和歐洲蓋亞（Gaia）巡天項目。 研究人員通過化學成分篩選剔除不符合“典型老恒星”特征的對象，并結合另一套獨立方法進行交叉檢驗，最終得到155600顆恒星的“精煉樣本”。
通過對銀河系中這些最古老、壽命極長的恒星進行分析，研究團隊發現其中年齡最大的恒星約為137.3億年，統計不確定度約為正0.18億年、負0.15億年。 如果再考慮恒星本身在宇宙大爆炸之后需要大約2億年左右才能形成，那么這一結果與標準宇宙學模型結合宇宙微波背景觀測所預言的約138億年宇宙年齡高度吻合。 這一數值也與此前基于其他老恒星和球狀星團所得結果相當一致。
值得注意的是，研究團隊也強調，當前結果仍受多方面不確定性限制，包括樣本數量、質量篩選標準、恒星演化模型假設、恒星形成時間尺度以及理論預言本身等。 每一項因素大致都會帶來約1.5億至2億年的誤差上限，因此單獨改進任何一個環節，都難以在短期內讓宇宙年齡的測定精度出現“飛躍式”提升。
盡管存在這些誤差來源，新得到的宇宙最小年齡估計值，依然明顯高于若簡單將本地膨脹速率外推至幾乎整段宇宙歷史時所得到的125億至129億年宇宙年齡。 這意味著，如果“哈勃張力”的根源在于新物理，那么它更有可能只在宇宙歷史的某一較晚時期生效，而非自宇宙最初就主導整體演化。
研究團隊指出，這或許暗示宇宙的膨脹方式在過去若干十億年里發生了某種變化，或者我們所處的宇宙局部環境存在特殊性，例如大尺度空洞，使得本地觀測到的膨脹速率被“人為抬高”。 論文中寫道，綜合現有證據，所謂“后期宇宙方案”正日漸成為解釋哈勃張力的有力候選之一；另一種可能性則是，我們身處一個巨大的本地欠密區（空洞）之中，從而導致本地測得的膨脹速率偏高。
這項工作以“利用大樣本銀河系最古老恒星推算宇宙年齡”為題提交至 arXiv 預印本平臺，為圍繞宇宙年齡和哈勃常數之爭的持續討論，增添了來自“恒星時鐘”的一票。 對于旨在捍衛標準宇宙學模型的研究者而言，新結果無疑是一劑強心針；但要徹底化解哈勃張力這一“宇宙難題”，未來仍需要來自宇宙早期和晚期的多重觀測與理論工作共同發力。
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