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比起哈勃定律的名字 這個(gè)常數(shù)更讓科學(xué)家頭疼

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)第30屆大會(huì)近日閉幕，會(huì)上提出了一項(xiàng)提案：將著名的“哈勃定律”改稱為“哈勃-勒梅特定律”。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)將根據(jù)后續(xù)的投票情況，確認(rèn)其最終名稱。

哈勃定律說的是：星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度越快，二者成正比。速度與距離的比值被稱為哈勃常數(shù)。雖然對(duì)哈勃定律的名稱存在爭(zhēng)議，但它描述的圖景已是公認(rèn)的事實(shí)——宇宙正在膨脹。實(shí)際上，真正讓天文學(xué)家頭疼的是與哈勃定律關(guān)聯(lián)的哈勃常數(shù)。他們近百年來絞盡腦汁，使用各種方法，不斷縮小其數(shù)值范圍，卻依然無(wú)法得到一個(gè)公認(rèn)的精確值。

可表征宇宙年齡的常數(shù)

從1912年到1922年間，美國(guó)天文學(xué)家斯里弗觀測(cè)了41個(gè)星系(當(dāng)時(shí)被稱為“旋渦星云”)的光譜，發(fā)現(xiàn)其中的36個(gè)星系的光譜向紅端移動(dòng)，他認(rèn)為這種現(xiàn)象意味著這些星系正在遠(yuǎn)離地球，其中速度最大的達(dá)到了1800千米/秒。

1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特利用愛因斯坦的廣義相對(duì)論，證明宇宙膨脹速度與距離成正比。然后他利用斯里弗測(cè)出的那些星系的速度和美國(guó)威爾遜天文臺(tái)天文學(xué)家哈勃于1926年測(cè)出的距離，得到了一個(gè)粗略的正比例關(guān)系，比例常數(shù)為575 或 625。1929年，哈勃用造父變星重新測(cè)定了此前測(cè)量過的星系的距離，得到了更“整齊”的數(shù)據(jù)，據(jù)此得到的哈勃常數(shù)的大小為500(千米/秒)/百萬(wàn)秒差距(以下省略哈勃常數(shù)的單位)。

哈勃能夠利用造父變星測(cè)量距離，是因?yàn)槊绹?guó)哈佛大學(xué)天文臺(tái)的里維特于1912年公布的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：造父變星最亮?xí)r的亮度與其光變的周期成正比。由于周期很容易確定，所以只需要確定出最臨近的一批造父變星的真實(shí)亮度，就可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系確定遠(yuǎn)距離造父變星及其所在的星系的距離。

因?yàn)槭褂昧烁_的數(shù)據(jù)，哈勃得到的正比例關(guān)系比勒梅特可靠得多，因此迅速震撼了科學(xué)界，這個(gè)結(jié)果被稱為哈勃定律，對(duì)應(yīng)的常數(shù)被稱為哈勃常數(shù)。由于勒梅特的貢獻(xiàn)在這些年被越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到，所以才有了文章開頭提到的那個(gè)改名提案。

哈勃定律意味著宇宙在膨脹，也意味著宇宙可能是在某個(gè)時(shí)候誕生。將哈勃常數(shù)取倒數(shù)，就是宇宙的大致年齡。根據(jù)哈勃得到的數(shù)值，算出的宇宙年齡大約為20億年，但是那個(gè)時(shí)代的地質(zhì)測(cè)定方法已經(jīng)算出地球的年齡為30億年，二者直接矛盾。

二戰(zhàn)期間，天文學(xué)家巴德區(qū)分出兩類造父變星，將哈勃常數(shù)的數(shù)值降低了一半，宇宙的年齡也就增加了一倍。1958年，美國(guó)天文學(xué)家桑德奇進(jìn)一步修正了距離，將哈勃常數(shù)降到了75左右，這才解決了宇宙年齡的難題。

多種方法提升測(cè)量精度

隨著理論與觀測(cè)的發(fā)展，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)定越來越精確，測(cè)量的星系的距離也越來越遠(yuǎn)。2001年，“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)關(guān)鍵計(jì)劃”繼續(xù)推進(jìn)對(duì)造父變星的測(cè)量，得到哈勃常數(shù)的值為72±8，“±”表示上下的誤差范圍。2018年2月，HST小組根據(jù)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的星系里的造父變星，得到哈勃常數(shù)為73.45±1.66。2018年4月，結(jié)合HST與蓋亞衛(wèi)星的結(jié)果，得到的值為73.52±1.62。

但在向遠(yuǎn)距離推進(jìn)的過程中，造父變星測(cè)量法遇到了困難：它們只能用來測(cè)量1億光年以內(nèi)的星系的距離，因?yàn)楦h(yuǎn)星系里的造父變星無(wú)法被當(dāng)前的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。

為探測(cè)更遠(yuǎn)的距離，天文學(xué)家們使用了Ia型超新星。研究表明，Ia型超新星最亮?xí)r的亮度雖然不一樣，但通過修正，可以將其統(tǒng)一到幾乎一樣的亮度。于是，人們只要知道近距離的Ia型超新星的精確距離，就可以判斷出遠(yuǎn)距離Ia型超新星的距離，它們所在的星系的距離也就因此可以測(cè)定了。測(cè)出距離后就可以得出哈勃常數(shù)。2016年，諾貝爾獎(jiǎng)得主里斯領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)Ia型超新星的觀測(cè)，得到的哈勃常數(shù)值為73.24±1.74。

隨著大爆炸宇宙學(xué)模型預(yù)言的微波背景輻射(CMB)被發(fā)現(xiàn)，人們還通過研究CMB的細(xì)節(jié)來計(jì)算哈勃常數(shù)。威爾金森CMB各向異性探測(cè)器(WMAP)小組多次公布了計(jì)算值。從2013年起，新一代CMB探測(cè)器普朗克衛(wèi)星也多次計(jì)算了哈勃常數(shù)的值，2018年給出的值是67.66±0.42。

與CMB有關(guān)的方法還有重子聲波振蕩法與蘇尼耶夫-澤爾多維奇(SZ)效應(yīng)法。所謂重子，主要指質(zhì)子和中子。宇宙大爆炸產(chǎn)生重子產(chǎn)生了聲波振蕩，即“重子聲波振蕩(BAO)”，它們會(huì)在背景光子里留下印記，形成冷熱不均的斑點(diǎn)。一兩億年后，物質(zhì)在熱斑所在的區(qū)域聚集，產(chǎn)生了星系。研究這些星系，也就可以探索出BAO的特征，并計(jì)算出哈勃常數(shù)。

除了以上方法外，還有兩種與引力有關(guān)的方法：引力透鏡法與引力波法。2016年，利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測(cè)到的引力透鏡時(shí)間延遲數(shù)據(jù)，得到的哈勃常數(shù)值為71.9左右。2017年8月17日，人類首次探測(cè)到雙中子星并合產(chǎn)生的引力波以及伴隨的其他爆發(fā)。有研究小組利用這次引力波探測(cè)，計(jì)算出哈勃常數(shù)值為70.0左右。

“三歲看老”并不可靠

如果細(xì)心比較上述各種方法得到的哈勃常數(shù)的值，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：它們之中有的彼此重合，有的卻彼此矛盾。比如，造父變星法與Ia型超新星法得到的值都為73左右，二者彼此很符合;普朗克衛(wèi)星根據(jù)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，這兩組數(shù)據(jù)之間存在難以消除的差異。這個(gè)差異看上去很小，但帶來的問題卻不小。因?yàn)橛钪鎸W(xué)是一門精確科學(xué)，細(xì)微的差異都會(huì)導(dǎo)致宇宙的演化方式完全不一樣。

哈勃常數(shù)對(duì)于某個(gè)時(shí)刻的全宇宙各處是一樣的，所以被稱為“常數(shù)”。但是，哈勃常數(shù)卻會(huì)隨著時(shí)間演化，也就是說，幾億年前的宇宙和現(xiàn)在的宇宙，對(duì)應(yīng)的哈勃常數(shù)并不一樣。當(dāng)人們用38萬(wàn)年前就脫離物質(zhì)的CMB的性質(zhì)來計(jì)算現(xiàn)在的哈勃常數(shù)時(shí)，可能就會(huì)因?yàn)槔碚摰娜毕荻貌坏綔?zhǔn)確的結(jié)果。

正如里斯所說，用CMB相關(guān)的方法得到當(dāng)前的哈勃常數(shù)，就像根據(jù)一個(gè)人童年時(shí)的照片推斷現(xiàn)在的身體特征;用造父變星與Ia型超新星等方法計(jì)算當(dāng)前的哈勃常數(shù)，就像直接看這個(gè)人當(dāng)前的特征。二者不一致，那就說明“三歲看老”的方法不夠可靠。因此，哈勃常數(shù)的這個(gè)差異可能意味著：我們用來描述早期宇宙演化的理論存在一定偏差，這也許與暗物質(zhì)的穩(wěn)定性有關(guān)系。不過也可能是因?yàn)橛钪鎸W(xué)模型與具體的算法存在差異導(dǎo)致。

當(dāng)前，人們還無(wú)法解決這個(gè)棘手的問題，只能期望將來的一些大型望遠(yuǎn)鏡可以進(jìn)行更精確的探測(cè)，或者理論家可以研究出更合理的理論，從而找出這個(gè)差異背后的真實(shí)本質(zhì)，并修正當(dāng)前模型的一些細(xì)節(jié)，幫助我們得到更精確的宇宙畫像。