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比起哈勃定律的名字 这个常数更让科学家头疼

2018-09-30 09:52来源:科技日报

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  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。

  可表征宇宙年龄的常数

  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 或 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)。

  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。

  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。

  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。

  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。

  多种方法提升测量精度

  随着理论与观测的发展,对哈勃常数的测定越来越精确,测量的星系的距离也越来越远。2001年,“哈勃太空望远镜(HST)关键计划”继续推进对造父变星的测量,得到哈勃常数的值为72±8,“±”表示上下的误差范围。2018年2月,HST小组根据望远镜探测到的星系里的造父变星,得到哈勃常数为73.45±1.66。2018年4月,结合HST与盖亚卫星的结果,得到的值为73.52±1.62。

  但在向远距离推进的过程中,造父变星测量法遇到了困难:它们只能用来测量1亿光年以内的星系的距离,因为更远星系里的造父变星无法被当前的望远镜发现。

  为探测更远的距离,天文学家们使用了Ia型超新星。研究表明,Ia型超新星最亮时的亮度虽然不一样,但通过修正,可以将其统一到几乎一样的亮度。于是,人们只要知道近距离的Ia型超新星的精确距离,就可以判断出远距离Ia型超新星的距离,它们所在的星系的距离也就因此可以测定了。测出距离后就可以得出哈勃常数。2016年,诺贝尔奖得主里斯领导的一个小组根据哈勃太空望远镜对Ia型超新星的观测,得到的哈勃常数值为73.24±1.74。

  随着大爆炸宇宙学模型预言的微波背景辐射(CMB)被发现,人们还通过研究CMB的细节来计算哈勃常数。威尔金森CMB各向异性探测器(WMAP)小组多次公布了计算值。从2013年起,新一代CMB探测器普朗克卫星也多次计算了哈勃常数的值,2018年给出的值是67.66±0.42。

  与CMB有关的方法还有重子声波振荡法与苏尼耶夫-泽尔多维奇(SZ)效应法。所谓重子,主要指质子和中子。宇宙大爆炸产生重子产生了声波振荡,即“重子声波振荡(BAO)”,它们会在背景光子里留下印记,形成冷热不均的斑点。一两亿年后,物质在热斑所在的区域聚集,产生了星系。研究这些星系,也就可以探索出BAO的特征,并计算出哈勃常数。

  除了以上方法外,还有两种与引力有关的方法:引力透镜法与引力波法。2016年,利用哈勃太空望远镜测到的引力透镜时间延迟数据,得到的哈勃常数值为71.9左右。2017年8月17日,人类首次探测到双中子星并合产生的引力波以及伴随的其他爆发。有研究小组利用这次引力波探测,计算出哈勃常数值为70.0左右。

  “三岁看老”并不可靠

  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。

  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。

  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。

  (作者王善钦 单位:广西大学物理科学与工程技术学院)

[责编:张佳兴]

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