星系的年龄是怎么算出来的?

星系的年龄是怎么算出来的?

赵泠,莱布尼茨工作室监事会主席

将星系的形态、光度、红移量、光谱吸收线、恒星金属丰度、恒星同位素比例、Ⅰa 型超新星光度、造父变星光度等参数与模型预测的值比较,可以推测星系演化史和星系内各恒星的年龄。

  • 对于一个没有发生过大规模合并或撕裂的星系,大部分恒星的年龄较年轻往往意味着星系较年轻,大部分恒星的年龄较老则往往意味着星系较老。
  • 大规模的合并或撕裂事件、附近其它星系的引力等因素会对星系的形态造成影响,可以根据观测数据推测。

天文学上的金属是“比氢和氦更重的元素”,这些元素由恒星核合成产生并排放到星际介质中、进入下一代恒星,因此通常而言金属丰度较低的恒星较老。

同位素方面,2001 年,天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜测量了距离地球约 1 万光年的球状星团中编号为 CS31082-001 的恒星,首次得到太阳系外天体的放射性同位素钍 -232 与铀 -238 含量比,根据二者的半衰期计算出该恒星的年龄为 125 亿岁;2007 年,天文学家用同样的方法测得距离地球 7500 光年、编号为 HE 1523-0901 的红巨星的年龄为 132 亿岁。

利用赫罗图测定球状星团里的恒星的年龄,或是测定球状星团内温度最低的白矮星的年龄,可以在一定程度上指示其所在星系的年龄,但其误差往往颇大。

某些恒星的光度周期性增减可能为它们所在星系的年龄提供线索:越年轻的星系,光度周期性增减越显著。天文学家测量了 Messier 87 星系中上万颗恒星的光度变化,推算出该星系的年龄约 100 亿岁,与使用其他方法得出的估计值相符。可以参照:

Conroy, C., van Dokkum, P. & Choi, J. Ubiquitous time variability of integrated stellar populations.Nature 527, 488–491 (2015). doi.org/10.1038/nature1

不过,人们日常所说的“我们观测到的某某星系是它 OOO 亿年前的样子”往往是“将红移距离或光行距离拿过来、将光年换成年”的操作。

通过红移测出星系的退行速度,用哈勃定律求出距离,可以得出我们观测到的来自该星系的光的红移距离,你也可以像美国媒体那样换算成光行距离[1]。例如 A1689B11 星系的红移 z = 2.54 ,红移距离约 111 亿光年[2]

哈勃–勒梅特定律描述大尺度上这样的规律:星系离我们越远,测得的红移越大,红移显示的退行速度平均而言等于我们到该星系的距离乘以哈勃常数。

哈勃常数的实测值如图,计算时可取 72 千米每秒每百万秒差距:

L. VERDE, T. TREU, AND A.G. RIESS (2019), ARXIV:1907.10625
ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8-13 (2004)