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鏡對造父變星進(jìn)行的最新測量，最新計算得出哈勃常數的數值為74.3±2.1(km/s)/Mpc，Mpc為百萬(wàn)秒差距，是距離單位，1Mpc大約為326萬(wàn)光年。這個(gè)數值表示宇宙空間每增加326萬(wàn)光年的距離，星系遠離的速度增加每秒74.3公里，誤差在正負2.1公里。最新的計算結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論

　　現代宇宙論有兩大支柱，一個(gè)是愛(ài)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(guò)廣義相對論方程就可推導出宇宙膨脹結論；另一個(gè)是高超的測量技術(shù)，通過(guò)所謂“宇宙距離階梯”測出遙遠天體相對精確的距離，發(fā)現了宇宙的膨脹。

　　1916年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對論方程，當時(shí)的主流觀(guān)點(diǎn)認為宇宙是穩定而靜態(tài)的，因為沒(méi)有人看到過(guò)宇宙變大或者縮小。為了保持宇宙的這種“穩態(tài)”，愛(ài)因斯坦人為地在廣義相對論方程中加入了一項“宇宙常數”(宇宙項)，以平衡萬(wàn)有引力帶來(lái)的收縮傾向。

　　早在發(fā)現哈勃定律7年前的1922年，一位俄國數學(xué)家和物理學(xué)家阿列克謝·弗里德曼根據廣義相對論進(jìn)行理論研究，指出過(guò)宇宙有可能在膨脹。弗里德曼得到的理論結論是，宇宙要么膨脹，要么收縮，是“動(dòng)態(tài)的”。然而，愛(ài)因斯坦卻堅決不同意弗里德曼的觀(guān)點(diǎn)。直到哈勃發(fā)現哈勃定律之后，愛(ài)因斯坦不得不遺憾地承認，在方程中額外加入一個(gè)宇宙常數是他“一生中所犯的錯誤”。

　　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，現代宇宙論就開(kāi)始于哈勃對星空的測量。測量星空可不是一件簡(jiǎn)單的事情。實(shí)際上，仰望夜空，可以看見(jiàn)無(wú)數的星體，但是除了幾顆行星之外，其他星體過(guò)于遙遠，人類(lèi)在地球上就像井底之蛙，感覺(jué)上這些星體好像都處在同樣的距離，分不出遠近，就像都鑲嵌在一個(gè)遙遠的球面上。

　　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，有遠有近。后來(lái)，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確位置，這才真正知道了銀河系的結構，進(jìn)一步又發(fā)現了河外星系(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)現了河外星系正在遠離我們而去，而且越遠的星系離我們而去的速度越快，這說(shuō)明宇宙正在膨脹。他進(jìn)而提出了所謂的哈勃定律，即離我們越遠的星系，背離我們向遠處運動(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是星系遠離我們的速度，D是星系離我們的距離，H0是比例常數(v/D)，也就是我們常說(shuō)的哈勃常數。這個(gè)常數的倒數的單位是時(shí)間，表征宇宙的年齡，可見(jiàn)這個(gè)常數的重要意義了。

　　哈勃定律表明現在的宇宙是膨脹的，如果按時(shí)間倒推的話(huà)，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)。哈勃定律是現代宇宙論的基礎，哈勃常數的精度也就決定了現代宇宙論的精確程度，對哈勃常數的測量也就成為現代宇宙論的`核心問(wèn)題之一。

　　“造父變星”提供了最早的“標準燭光”

　　由于天體離我們非常遙遠，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，能夠測量出數億光年遠的星體。最常用的是標準燭光法。如果已知某個(gè)星體的真實(shí)亮度，因為亮度與距離的平方成反比，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(chēng)光變周期)，周期從幾小時(shí)到100天不等，但有一個(gè)規律，就是亮度變化周期越長(cháng)，本身的真實(shí)亮度越大。于是，找到那些遙遠星系中的造父變星，通過(guò)其光變周期計算得到它們的真實(shí)亮度，就可以根據其視亮度與距離的平方成反比的關(guān)系來(lái)求出那些遙遠星系的距離。正是利用這種方法，哈勃于1924年利用口徑2.5米的虎克望遠鏡觀(guān)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，它遠遠超出當時(shí)人們認為的銀河系的大小，由此發(fā)現了河外星系。

　　既然銀河系外存在著(zhù)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產(chǎn)生的光譜移動(dòng)來(lái)研究這許多星系的運動(dòng)情況。如果所有的星系都是完全沒(méi)有規律地作隨機運動(dòng)的話(huà)，紅移和藍移應該是一樣多的，也就是說(shuō)朝向我們地球(銀河系)運動(dòng)的星系的數量和背離我們遠去的星系的數量應該是差不多各占一半。結果卻發(fā)現了一個(gè)有趣的事實(shí)，不知什么原因，背離我們遠去的星系竟占到了壓倒多數。

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