宇宙膨脹速率如何測出
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新聞背景
不久前，一個(gè)科學(xué)家小組利用美國宇航局斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡對造父變星進(jìn)行的最新測量，最新計(jì)算得出哈勃常數(shù)的數(shù)值為74.3±2.1(km/s)/Mpc，Mpc為百萬秒差距，是距離單位，1Mpc大約為326萬光年。這個(gè)數(shù)值表示宇宙空間每增加326萬光年的距離，星系遠(yuǎn)離的速度增加每秒74.3公里，誤差在正負(fù)2.1公里。最新的計(jì)算結(jié)果把宇宙膨脹速率的不確定度降低到3%左右。
廣義相對論原本包含宇宙膨脹結(jié)論
現(xiàn)代宇宙論有兩大支柱，一個(gè)是愛因斯坦的廣義相對論，另一個(gè)是哈勃定律。一個(gè)是純理論，用一支筆通過廣義相對論方程就可推導(dǎo)出宇宙膨脹結(jié)論；另一個(gè)是高超的測量技術(shù)，通過所謂“宇宙距離階梯”測出遙遠(yuǎn)天體相對精確的距離，發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹。
1916年，愛因斯坦提出廣義相對論方程，當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙是穩(wěn)定而靜態(tài)的，因?yàn)闆]有人看到過宇宙變大或者縮小。為了保持宇宙的這種“穩(wěn)態(tài)”，愛因斯坦人為地在廣義相對論方程中加入了一項(xiàng)“宇宙常數(shù)”(宇宙項(xiàng))，以平衡萬有引力帶來的收縮傾向。
早在發(fā)現(xiàn)哈勃定律7年前的1922年，一位俄國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿列克謝·弗里德曼根據(jù)廣義相對論進(jìn)行理論研究，指出過宇宙有可能在膨脹。弗里德曼得到的理論結(jié)論是，宇宙要么膨脹，要么收縮，是“動(dòng)態(tài)的”。然而，愛因斯坦卻堅(jiān)決不同意弗里德曼的觀點(diǎn)。直到哈勃發(fā)現(xiàn)哈勃定律之后，愛因斯坦不得不遺憾地承認(rèn)，在方程中額外加入一個(gè)宇宙常數(shù)是他“一生中所犯的錯(cuò)誤”。
完全依靠測量得出的哈勃定律
測量是天文學(xué)最基本的方法，現(xiàn)代宇宙論就開始于哈勃對星空的測量。測量星空可不是一件簡單的事情。實(shí)際上，仰望夜空，可以看見無數(shù)的星體，但是除了幾顆行星之外，其他星體過于遙遠(yuǎn)，人類在地球上就像井底之蛙，感覺上這些星體好像都處在同樣的距離，分不出遠(yuǎn)近，就像都鑲嵌在一個(gè)遙遠(yuǎn)的球面上。
事實(shí)上，人們看到的恒星與我們地球之間的距離并不相同，有遠(yuǎn)有近。后來，天文學(xué)家掌握了實(shí)際測量天體距離的方法，了解了一部分恒星的準(zhǔn)確位置，這才真正知道了銀河系的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)了河外星系(銀河系以外的其他星系)的存在。美國天文學(xué)家哈勃正是在測量河外星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了河外星系正在遠(yuǎn)離我們而去，而且越遠(yuǎn)的星系離我們而去的速度越快，這說明宇宙正在膨脹。他進(jìn)而提出了所謂的哈勃定律，即離我們越遠(yuǎn)的星系，背離我們向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)的速度越快，退行的速度與它們的距離成正比。
用公式表示就是v=H0D，其中v是星系遠(yuǎn)離我們的速度，D是星系離我們的距離，H0是比例常數(shù)(v/D)，也就是我們常說的哈勃常數(shù)。這個(gè)常數(shù)的倒數(shù)的單位是時(shí)間，表征宇宙的年齡，可見這個(gè)常數(shù)的重要意義了。
哈勃定律表明現(xiàn)在的宇宙是膨脹的，如果按時(shí)間倒推的話，原初的宇宙就“退縮”到一個(gè)點(diǎn)，這就是大爆炸宇宙論的出發(fā)點(diǎn)。哈勃定律是現(xiàn)代宇宙論的基礎(chǔ)，哈勃常數(shù)的精度也就決定了現(xiàn)代宇宙論的精確程度，對哈勃常數(shù)的測量也就成為現(xiàn)代宇宙論的`核心問題之一。
“造父變星”提供了最早的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”
由于天體離我們非常遙遠(yuǎn)，測量天體的距離是非常難的事情。好在聰明的科學(xué)家找到一些量天巨尺，能夠測量出數(shù)億光年遠(yuǎn)的星體。最常用的是標(biāo)準(zhǔn)燭光法。如果已知某個(gè)星體的真實(shí)亮度，因?yàn)榱炼扰c距離的平方成反比，就可求出這個(gè)星體的距離。就像一支蠟燭離得越遠(yuǎn)看上去越暗一樣。
1912年，美國的一位女天文學(xué)家勒維特就發(fā)現(xiàn)了一種這樣的天體，這就是“造父變星”。造父變星的亮度一直在作周期性變化(稱光變周期)，周期從幾小時(shí)到100天不等，但有一個(gè)規(guī)律，就是亮度變化周期越長，本身的真實(shí)亮度越大。于是，找到那些遙遠(yuǎn)星系中的造父變星，通過其光變周期計(jì)算得到它們的真實(shí)亮度，就可以根據(jù)其視亮度與距離的平方成反比的關(guān)系來求出那些遙遠(yuǎn)星系的距離。正是利用這種方法，哈勃于1924年利用口徑2.5米的虎克望遠(yuǎn)鏡觀測“仙女座星云”里的造父變星，求得了仙女座星云的距離，令人意想不到的是，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為的銀河系的大小，由此發(fā)現(xiàn)了河外星系。
既然銀河系外存在著同銀河系相似的許多星系，美國天文學(xué)家斯萊弗就利用多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的光譜移動(dòng)來研究這許多星系的運(yùn)動(dòng)情況。如果所有的星系都是完全沒有規(guī)律地作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的話，紅移和藍(lán)移應(yīng)該是一樣多的，也就是說朝向我們地球(銀河系)運(yùn)動(dòng)的星系的數(shù)量和背離我們遠(yuǎn)去的星系的數(shù)量應(yīng)該是差不多各占一半。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的事實(shí)，不知什么原因，背離我們遠(yuǎn)去的星系竟占到了壓倒多數(shù)。
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