帮助我们得到更精确的宇宙画像

2020-06-22 16:02

因为使用了更精确的数据,哈勃得到的正比例关系比勒梅特可靠得多,因此迅速震撼了科学界,这个结果被称为哈勃定律,对应的常数被称为哈勃常数。由于勒梅特的贡献在这些年被越来越多的学者认识到,所以才有了文章开头提到的那个改名提案。

如果细心比较上述各种方法得到的哈勃常数的值,就会发现一个问题:它们之中有的彼此重合,有的却彼此矛盾。比如,造父变星法与ia型超新星法得到的值都为73左右,二者彼此很符合;普朗克卫星根据cmb和利用bao方法得到的值是67.66左右,二者也互相吻合。但是,这两组数据之间存在难以消除的差异。这个差异看上去很小,但带来的问题却不小。因为宇宙学是一门精确科学,细微的差异都会导致宇宙的演化方式完全不一样。

当前,人们还无法解决这个棘手的问题,只能期望将来的一些大型望远镜可以进行更精确的探测,或者理论家可以研究出更合理的理论,从而找出这个差异背后的真实本质,并修正当前模型的一些细节,帮助我们得到更精确的宇宙画像。

哈勃定律说的是:星系距离我们越远,远离我们的速度越快,二者成正比。速度与距离的比值被称为哈勃常数。虽然对哈勃定律的名称存在争议,但它描述的图景已是公认的事实——宇宙正在膨胀。实际上,真正让天文学家头疼的是与哈勃定律关联的哈勃常数。他们近百年来绞尽脑汁,使用各种方法,不断缩小其数值范围,却依然无法得到一个公认的精确值。

哈勃定律意味着宇宙在膨胀,也意味着宇宙可能是在某个时候诞生。将哈勃常数取倒数,就是宇宙的大致年龄。根据哈勃得到的数值,算出的宇宙年龄大约为20亿年,但是那个时代的地质测定方法已经算出地球的年龄为30亿年,二者直接矛盾。

国际天文学联合会第30届大会近日闭幕,会上提出了一项提案:将著名的“哈勃定律”改称为“哈勃-勒梅特定律”。国际天文学联合会将根据后续的投票情况,确认其最终名称。

哈勃能够利用造父变星测量距离,是因为美国哈佛大学天文台的里维特于1912年公布的一个重要发现:造父变星最亮时的亮度与其光变的周期成正比。由于周期很容易确定,所以只需要确定出最临近的一批造父变星的真实亮度,就可以根据这个关系确定远距离造父变星及其所在的星系的距离。

625。1929年,哈勃用造父变星重新测定了此前测量过的星系的距离,得到了更“整齐”的数据,据此得到的哈勃常数的大小为500(千米/秒)/百万秒差距(以下省略哈勃常数的单位)。

从1912年到1922年间,美国天文学家斯里弗观测了41个星系(当时被称为“旋涡星云”)的光谱,发现其中的36个星系的光谱向红端移动,他认为这种现象意味着这些星系正在远离地球,其中速度最大的达到了1800千米/秒。

1927年,比利时天文学家勒梅特利用爱因斯坦的广义相对论,证明宇宙膨胀速度与距离成正比。然后他利用斯里弗测出的那些星系的速度和美国威尔逊天文台天文学家哈勃于1926年测出的距离,得到了一个粗略的正比例关系,比例常数为575

哈勃常数对于某个时刻的全宇宙各处是一样的,所以被称为“常数”。但是,哈勃常数却会随着时间演化,也就是说,几亿年前的宇宙和现在的宇宙,对应的哈勃常数并不一样。当人们用38万年前就脱离物质的cmb的性质来计算现在的哈勃常数时,可能就会因为理论的缺陷而得不到准确的结果。

正如里斯所说,用cmb相关的方法得到当前的哈勃常数,就像根据一个人童年时的照片推断现在的身体特征;用造父变星与ia型超新星等方法计算当前的哈勃常数,就像直接看这个人当前的特征。二者不一致,那就说明“三岁看老”的方法不够可靠。因此,哈勃常数的这个差异可能意味着:我们用来描述早期宇宙演化的理论存在一定偏差,这也许与暗物质的稳定性有关系。不过也可能是因为宇宙学模型与具体的算法存在差异导致。

二战期间,天文学家巴德区分出两类造父变星,将哈勃常数的数值降低了一半,宇宙的年龄也就增加了一倍。1958年,美国天文学家桑德奇进一步修正了距离,将哈勃常数降到了75左右,这才解决了宇宙年龄的难题。