对大家来说,一个人不可能比他母亲还要年老,这是再清楚不过了。天文学家也懂得这一点。然而正是因为这样,他们近来却是十分不安。星簇中最古老的恒星似乎可以追溯至150亿年之前。而我们的宇宙存在时间好像还只有90亿到120亿年之间。那么,这上面的论点中至少有一个是错误的。
不过,这个自相矛盾的论点毫无新意可言。著名的天文学家埃德温 · 哈勃(Edwin Hubble)——将近70年前就提出了惊人的发现:宇宙正在逐渐膨胀——最初认为宇宙的年龄大约有20亿年,这比当时地质学家对地球所作出的最为精确的估计寿命还要小。
后来,那些证明宇宙其实更要古老的测量结果证实了哈勃认为宇宙在不断膨胀的观点。不过,自那以后也就产生了对于宇宙确切年龄的激烈的异议。差不多在3年前,灭文学家最新的估算是宇宙年龄大约在100亿至200亿年之间。不过,这个说法的相差时间实在太悬殊了,以致许多疑问悬而未决。臂如,宇宙是否会继续永远膨胀下去,还是最终会自我爆炸?关于宇宙形成的“大爆炸”论的一些关键性假定是否成立?
当初设立刻有哈勃名字的太空望远镜的其中一个正当的理由就是为了阐明那些仍未解决的疑点。如今从哈勃望远镜、大地望远镜、射电望远镜和科学人造卫星得到的源源不断的数据至少给大家带来了这种希望:弄清答案只是指日可待,尽管这些数字还只是推测性的。而来源不同的数据表明,意见正在趋于一致:宇宙年龄大约在120亿至130亿年之间。
天文学家无法直接计算宇宙的年龄。不过,如果今天所有的天体物理学家所得出的结论——宇宙起源于一次使得物质向四面八方飞逸的大爆炸一成立的话,那么随着岁月的变迁,宇宙应该以越来越慢的速度膨胀。宇宙膨胀的速度越缓慢,那么大爆炸发生的时间也就越遥远。
说到算出膨胀率的工作,则要回溯到埃德温 · 哈勃的发现——那些遥远的星系正在远离我们这个银河系而向外游移。而且,哈勃还发现它们偏离越远,游移速度也就越快。还有就是不论一个人站在何处观测,星系的速度与它们的距离的关系似乎总是不变的。唯一可能的情况,就是如果所有的空间都以相同的比率向外膨胀,就像气球被充气向外扩展时它上面的那些部位一样:不论处于哪个部位,较远的地方向外移动的速度似乎总要来得快些。
哈勃的速度与距离之比——如今被称为哈勃常数——是天文学家正在设法精确测出的一个令人困惑的数值。从理论上来说,要得出哈勃常数的正确数据听起来很简单:只要速度除以距离即可。通过分析从星系发出的光谱,就可以精确地测量出速度。光谱的颜色越接近长波——也就是接近红光——这个星系的移动速度也就越快。不过,要想测量距离却是极其困难。因为这牵涉到许多间接的测量值.而每个值都有可能导致错误和难以预料的结果。哈勃理论仍然是立足点:物体距离越远,亮度就越暗;两倍远处的物体看上去只有其原处亮度的四分之一。所以.如果能确切知道一颗恒星的亮度,然后再把这亮度与从地球上观测到的清晰亮度相比较,就很容易算出它的距离来。当然,这种方法必须首先知道恒星的确切亮度。天文学家一直在致力于寻找能够充当参照点的所谓“标准烛光”的星体。哈勃以前依靠的是一类叫作“造父变星”的恒星。造父变星早在本世纪初叶就由天文学家亨利泰 · 利维特(Henrietta Leavitt)发现,这些年轻星体的体积比太阳还要大数倍。利维特发现:造父变星发亮发暗有着周期性的变化,通常会持续2天到100天。因为根据一些基本的物理定律认为物体的亮度和其波动率有关的理论,可以测出这些星体的绝对亮度。
问题在于:相对于距离近8千万光年的邻近星系来说,造父变星才是合适的标准烛光。要想作为更远星系的参照点,就必须要有亮度更高的星体。故而天文学家通过使用“引导法”(boot-strap procedure)来确定新的标准烛光。现在,关键就是在这些与造父变星一样的星系中找出一个更亮的星体,这样就可以与已知量进行比较,然后。天文学家就能从更远的星系中找到相同类型的星体,以此及彼。
一个由加利福尼亚帕萨迪纳卡内基天文台的温迪 · 费利德曼(Wendy Freedman)率领的国际小组正在用哈勃太空望远镜来观测可以用来与造父变星进行校正的几类不同的遥远星体。今年春季,她们得出了哈勃常数是73,也就是说宇宙年龄为90亿至115亿年之间。而同样来自卡内基、同样使用这台哈勃太空望远镜由阿伦 · 桑迪戈(Allan Sandage)领头的小组则集中观测“la”号超新星——这些星体爆发的亮度是造父变星的10万倍!他们得出的哈勃常数大约是58,即宇宙年龄为115亿至145亿年之间。这两组的发现比他们在3年前的要接近得多,当时费利德曼的结果更大,而桑迪戈的则更小。
另外的科学小组正在使用新颖的——同时更为直接的——方法来计算宇宙的膨胀率。一种颇有希望的技术利用了这种现象:爱因斯坦的相对论就有过预测,质量大的物体受到的引力会像透镜那样使光线发生偏移。如果地球和遥远而明亮的星体(比如波动的类星体之间存在质量很大的群星系,从类星体发出的光线就会因为那些类星体而发生偏移。正如你透过一只空酒杯(相当于一面透镜)会看到同一个物体的多幅画面一样,地面上的望远镜所观测到的也是同一类星体的多幅画面。又由于每幅画面发出的光线所经过的路线稍有不同,因而观察到的每幅画面的到达顺序也就有先后之分。例如,普林斯顿大学天体物理学家埃德温 · 特纳(Edwin Turner)教授,当时发现从一个类星体发出的光线有所变化,417天之后,又在这个类星体的另一幅画面中观察到相同的变化。一旦测出这段延滞间隔,将时间乘上速度就可以得出这些清晰画面之间的距离。利用这一情况,只要运用简单的几何学知识就可以测出该类星体与地球之间的距离。特纳的结果——哈勃常数是64——正好在费利德曼和桑迪戈的数据之间。
综合这些数据结果,看来已达成共识:宇宙年龄大约有120亿年。这可能意味着那些宇宙论者所持的在大爆炸后最初一毫秒内所发生的观点也许只好要作改正了。除非天文学家能找到大量比他们迄今为止所拥有的有关宇宙的更多材料(他们正在积极地寻找),否则最有可能的膨胀率只会意味着宇宙将会无限膨胀:没有足够多的物质也就意味着没有足够强的引力将所有的物体连为一体。
不过,如果说宇宙有120亿年的年龄,那么星簇中存在着根据推测有150亿年龄的星体的说法,该作何解释?天文学家能够估算出星体的年龄正是因为他们相信:他们清楚这些星体演变的过程以及具有一定物质的星体耗完核燃料、开始消亡所经历的时间。的确,已有一些今年春季上报的最新测量数据,这些是希帕恰斯(Hipparcos)人造卫星有关最为古老星体的数据。结果表明这些星体也许是很年轻,正好及时搭上了末班车(注:最古老星体年龄比原先认为的要年轻几十亿年,最终使它们低于所估计的宇宙年龄的范围,即最古老星的年龄只有约110亿)。
[U. S. News & World Report,1997年8月]