普朗克望远镜测量精准宇宙年龄为138.2亿年

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普朗克卫星发布的婴儿宇宙的照片，图中的斑点代表着早期宇宙中温度在十万分之一量级上的细微起伏。图片来源：ESA–Planck Collaboration

（文/Phil Plait）宇宙似乎比过去我们认为的要稍稍老了一点。不仅如此，宇宙的构成成分也略有不同。不仅如此，它们混合的方式也跟我们预期的不太一样。不仅如此，还有一些迹象暗示宇宙中还存在着一些更加宏大的东西。

那么，到底发生了什么呢？

答案是，欧洲空间局的普朗克卫星公布了数据。普朗克一直在扫描整个天空，一遍又一遍，窥视着从宇宙中汹涌而来的射电波及微波。这些“光”有些来自于恒星，有些来自于寒冷的尘埃团块，有些来自于正在爆发的恒星及星系。但其中有一部分来自于非常非常遥远的地方。事实上，它们起源于百亿光年以外，来自于可观测宇宙的边缘。

这些光是在宇宙非常年轻时发出的，当时宇宙的年龄只有大约38万年。这些光曾经亮得耀眼，但在传播到我们这里的漫漫旅途中，它已经变暗变红了。在跟宇宙自身膨胀的抗争中，这些光的波长被拉长了许多，抵达我们这里时已经变成了微波。普朗克卫星花了超过15个月去采集那些光，所用的设备灵敏度远超以往。

这些来自早期宇宙的光，本身并不均匀。如果把对比度增强许多倍，你会看到或明或暗的斑点。它们对应于宇宙中幅度在十万分之一级别的温度起伏。这种差异小到难以置信，却有着深远的影响。那些起伏是在宇宙仅有万亿万亿分之一秒、个头还不如一个质子大的时候产生的量子涨落，随着宇宙膨胀而变大，如今已经成长为宇宙中最大的结构，形成了我们看到的星系和星系团，尺度最大可达上亿光年。

这些起伏正是普朗克卫星观测的目标。仔细观察这些细微的变化，我们能够了解大量关于宇宙的信息。科学家花了几年时间审视和分析普朗克得到的数据。他们的发现相当有趣：

• 宇宙年龄为138.2亿年。
• 宇宙膨胀的速度比我们预期的稍慢一些。
• 宇宙有4.9%是普通物质，26.8%是暗物质，68.3%是暗能量。
• 宇宙是不平衡的。只有那么一丁点儿迹象，但它的意义相当深远。
  

这些都意味着什么呢？让我们一项一项来看看这些结果。

宇宙年龄为138.2亿年。

宇宙的年龄比我们预期的大了那么一点点。几年前，WMAP探测器也像普朗克一样扫描过宇宙，当时他们对宇宙年龄给出的最佳结果是：137.3±1.2亿年。

普朗克发现，宇宙要比那个数据老了将近1亿年，应该是138.2亿年。

第一眼看过去，你或许会觉得，这两个数据相差不小。但请再看一眼。WMAP给出的宇宙年龄有前后1.2亿年的不确定性。这意味着，他们的最佳估算是137.3亿年，但宇宙年龄也可能是138.5亿年，或者136.1亿年。任何介于这两个数字之间的数值，与WMAP几年前给出的数据都没有本质上的不同，137.3亿年不过是那个范围的中值而已。

138.2亿年也在那个范围之内。它确实比原来的中值大一些，但并没有什么大不了。新的宇宙年龄估值与以前的估值是完全相符的，只不过普朗克的数据应该会更精准一些。对于天文学家而言，这个数值将成为宇宙年龄新的标准值。

宇宙膨胀的速度比我们预期的稍慢一些。

宇宙正在膨胀，从它诞生之时起就一直如此。我们能够用多种不同的方法测量宇宙膨胀的速度，比如观察遥远星系中正在爆炸的恒星。观察它们的光在电磁波谱中向波长较长的红色端偏移了多少，我们就能测出它们随着空间膨胀正在远离我们的速度。我们还能通过多种不同的方法，比如确定它们自身的亮度，来测量那些天体到我们的距离。有了速度和距离，我们就能计算出宇宙正在以多快的速度膨胀。

普朗克发现，宇宙正以67.3千米每秒每百万秒差距（67.3 km/s/Mpc）的速度变大。百万秒差距是一个距离单位，大约相当于326万光年。这个数据意味着，如果你观察一百万秒差距以外的一个星系，你会发现它好像在以每秒67.3千米的速度离你而去。两百万秒差距以外的星系，就会以每秒134.6千米的速度远去，以此类推。

这就是所谓的“哈勃常数”。过去一个世纪以来，科学家用不同的方法测量了这一数值，此前的最佳数值是74.2 km/s/Mpc。普朗克的测量结果更小，因此宇宙膨胀的速度似乎比我们过去认为的要慢一些。也正因为如此，普朗克测量的宇宙年龄才会比过去更大一些。

普朗克测量的数值较小，部分原因在于，它观察的光都非常古老，来自于非常非常遥远的地方。因此，科学家必须在时间上向前推，才能推算出宇宙现在正以多快速的膨胀。其他测量哈勃常数的方法，观察的都是距离我们较近的天体发出的光，因此科学家必须在时间上向后推。

既然两个数据存在差异，这或许意味着哈勃常数会随时间变化，不过现在这还很难说。哈勃常数是出了名的难以测量，我估计天文学家还会在这个问题上纠结一段时间。

宇宙有4.9%是普通物质，26.8%是暗物质，68.3%是暗能量。

源于早期宇宙的光，其中的温度起伏以及那些起伏的分布模式，可以用来推算宇宙由什么构成。普朗克得出的宇宙成分及其所占比例为：

• 普通物质占4.9 %
• 暗物质占26.8 %
• 暗能量占68.3 %
  

普朗克绘制的宇宙中所有物质的分布图，中间的暗条是由于银河系内亮光的干扰而扣除的部分。图片来源：ESA/NASA/JPL-Caltech

普通物质就是被我们称为质子、中子和电子的这些东西，基本上包括了我们身边你能够看到的所有东西。恒星、腰果、干燥剂，还有电脑，都由普通物质构成。你也是。

暗物质是一种我们知道它存在，却看不见摸不着的成分。我们能够看到它产生的引力效应，这些效应显著改变了星系自转和星系团演变的方式。这些看不见的物质数量是普通物质的5倍还多。

暗能量直到1998年才被发现。它非常神秘，作用方式却像压强一样，正在加快宇宙膨胀的速度。我们对它几乎一无所知，只知道它应该是存在的，在宇宙中所占比例要比普通物质和暗物质加起来还大。

在普朗克之前，对这些宇宙组分所占比例的最佳估值略有不同：普通物质为4.6%，暗物质为24%，暗能量为71.4%。而最新的结果是，宇宙中的暗能量比我们以为的要少了一些，但仍然占到宇宙总能量密度的超过2/3！

好消息是，更好的数据可以帮助天文学家进一步微调他们的宇宙学模型，我们也能够更好的理解这个宇宙。描述宇宙行为方式的不同模型预言了这些成分所占的不同比例，因此更精确地确定宇宙组分意味着，我们能够用那些模型更好地描述宇宙。我们有所进步！

宇宙是不平衡的。只有那么一丁点儿迹象，但它的意义相当深远。

在目前公布的所有结果中，这或许是最令人兴奋的一个。我们预期，宇宙在大尺度上是相当均匀的。早期宇宙中的那些起伏应当是随机的，因此当我们环顾左右看到那些古老的光时，其中的图案也应当是非常随机的。

事实也是如此！那些斑点的分布相当随机。或许你能够从中看出某些图案，但我们的大脑具有欺骗性，我们总是会在真正随机的斑点中“看出”某些规律。你必须用计算机、数学和统计方法去测量那些起伏的分布，以检验它们是不是真的随机。宇宙通过了这样的测试。

至少算是通过了。它们的分布是随机的，但那些起伏的幅度却没那么随机。所谓幅度，就像是水面上波纹的高度。这很难用眼睛看出来，但在普朗克绘制的大图中，某一侧的幅度稍稍大了一点，而另一侧的幅度又稍稍小了一点。这种效应小到让人觉得不可思议，但似乎是真实存在的。它出现在WMAP的数据之中，如今得到了普朗克的证实。

简单的宇宙模型认为，这种情况根本就不应该发生。宇宙在大尺度上是不均匀的！这意味着什么？

用普朗克观测到的宇宙微波背景辐射，扣除假设“宇宙在大尺度上均匀”的模型所做的预言，就得到了右下这张暗示宇宙在更大尺度上仍然不够均匀的图案。这些残余的偏差极其细微，却让整个宇宙完全不同了。图片来源：ESA and the Planck Collaboration

现在，我们还不知道。有太多的想法能够解释这种现象为什么会发生，但我们还没有那么多数据去检验它们。有一个想法认为，这可能意味着暗能量在随时间变化。另一个想法就要激动人心得多，认为我们看到的是大爆炸之前留在宇宙中的某种印痕。我知道，这听起来很疯狂，但这并非痴人说梦。

我们或许窥见了某些发生在太大尺度上的事情，尺度大到我们根本就不可能看到它的全貌。这就好像在略微倾斜的地面上建起一幢大房子。站在某一间房间里，你或许根本注意不到地面的倾斜，但仔细测量房子一侧某个房间地面的高度，再到房子另一侧的另一个房间测量地面高度，或许就能显现出两者存在差异。即便如此，你也只能知道地面略有倾斜，不知道房子是不是建在某一座大山的山坡上。

我们在宇宙的尺度上看到了同样的事情。宇宙本身似乎略微有些倾斜，只有在测量整个宇宙时，我们才能察觉到一丝迹象。

终极问题

这些新的结果让我感到非常开心。

当然，作为一名科学家，能够得到一些更好的测量结果，看到更多细节，修正一些数字，总是会很开心。这就是我们检验模型的方式，它帮助我们更好地理解自己的想法。

但是，作为一个人——我们竟然能够精确测量宇宙年龄；能够明确宇宙由什么东西构成并测定它们的比例，尽管其中的绝大多数我们都无法看到；能够测出宇宙不只在膨胀，还能测定膨胀速度有多快——这些事实让我的大脑仍然处在兴奋状态，很长时间都停不下来。

最重要的，我们看见宇宙还在做一些我们仍然无法理解的事情。它向我们证明，还有更大的未知在等着我们，在远远超出我们感知范围、也远远超出我们想象空间的更大尺度上，有某些事情正在发生。

每一天，我们都会更进一步了解宇宙正在做些什么。我们的研究也在继续，去探求宇宙如何做到这些。或许，这样的探索将指引我们解答那个关于一切的终极问题：为什么？

如果这个问题存在答案，如果我们能够理解它，那么现在，我们就向它迈出我们的第一步