宇宙膨脹速率如何測出
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新聞背景
不久前，一個科學家小組利用美國宇航局斯皮策空間望遠鏡對造父變星進行的最新測量，最新計算得出哈勃常數(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。這個數(shù)值表示宇宙空間每增加326萬光年的距離，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(xiàn)代宇宙論有兩大支柱，一個是愛因斯坦的廣義相對論，另一個是哈勃定律。一個是純理論，用一支筆通過廣義相對論方程就可推導出宇宙膨脹結論；另一個是高超的測量技術，通過所謂“宇宙距離階梯”測出遙遠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，當時的主流觀點認為宇宙是穩(wěn)定而靜態(tài)的，因為沒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“宇宙常數(shù)”(宇宙項)，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)學家和物理學家阿列克謝·弗里德曼根據(jù)廣義相對論進行理論研究，指出過宇宙有可能在膨脹。弗里德曼得到的理論結論是，宇宙要么膨脹，要么收縮，是“動態(tài)的”。然而，愛因斯坦卻堅決不同意弗里德曼的觀點。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，在方程中額外加入一個宇宙常數(shù)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，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，分不出遠近，就像都鑲嵌在一個遙遠的球面上。
事實上，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，天文學家掌握了實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。美國天文學家哈勃正是在測量河外星系時，發(fā)現(xiàn)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，這說明宇宙正在膨脹。他進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(shù)(v/D)，也就是我們常說的哈勃常數(shù)。這個常數(shù)的倒數(shù)的單位是時間，表征宇宙的年齡，可見這個常數(shù)的重要意義了。
哈勃定律表明現(xiàn)在的宇宙是膨脹的，如果按時間倒推的話，原初的宇宙就“退縮”到一個點，這就是大爆炸宇宙論的出發(fā)點。哈勃定律是現(xiàn)代宇宙論的基礎，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。好在聰明的科學家找到一些量天巨尺，能夠測量出數(shù)億光年遠的星體。最常用的是標準燭光法。如果已知某個星體的真實亮度，因為亮度與距離的平方成反比，就可求出這個星體的距離。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)，周期從幾小時到100天不等，但有一個規(guī)律，就是亮度變化周期越長，本身的真實亮度越大。于是，找到那些遙遠星系中的造父變星，通過其光變周期計算得到它們的真實亮度，就可以根據(jù)其視亮度與距離的平方成反比的關系來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，它遠遠超出當時人們認為的銀河系的大小，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，美國天文學家斯萊弗就利用多普勒效應產(chǎn)生的光譜移動來研究這許多星系的運動情況。如果所有的星系都是完全沒有規(guī)律地作隨機運動的話，紅移和藍移應該是一樣多的，也就是說朝向我們地球(銀河系)運動的星系的數(shù)量和背離我們遠去的星系的數(shù)量應該是差不多各占一半。結果卻發(fā)現(xiàn)了一個有趣的事實，不知什么原因，背離我們遠去的星系竟占到了壓倒多數(shù)。
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