距离阶梯和宇宙膨胀(二)——哈勃常数的测量

作者: 李然

来源: 赛先生天文

发布日期: 2016-07-19 07:23:05

本文详细介绍了哈勃常数的测量历史及其在宇宙学中的重要性,包括哈勃本人在发现宇宙膨胀后的审慎态度,以及后续天文学家如何通过改进测量方法和使用更先进的望远镜来精确测量哈勃常数。文章还讨论了最新的测量结果与微波背景辐射探测器PLANCK的数据之间的差异,以及这些差异可能暗示的新物理现象。

天文学家如何测量出无法触摸的遥远天体的距离?宇宙膨胀是怎么被发现和精确测量的?为什么有新闻说宇宙膨胀得比预期快9%?这意味着爱因斯坦的宇宙学常数模型错了吗?

在本文的第一部分中提到,哈勃发现了宇宙的膨胀,迫使爱因斯坦放弃了稳态宇宙观,然而发现了宇宙膨胀的哈勃却有点退缩了。30年代时,哈勃在公众演讲中较少提及宇宙的膨胀。因为当数据不断积累后,哈勃开始意识到他的距离测量可能存在一定的问题。他发现,在他修正了一些潜在的观测误差后,河外星系红移距离关系竟然变得更差了。

1948年,帕洛玛天文台的200英寸海尔望远镜建成。这是当时世界上最大的光学望远镜,并在之后的近30多年里一直都是世界上效率最高的光学天文仪器。这架望远镜的建成引起了公众的广泛关注,就连运输望远镜的巨大镜面都成为了报纸上的话题。对哈勃来说(图1),这架望远镜正是修订宇宙距离阶梯的利器。

哈勃常数的测量是否有问题?

1952年,威尔逊山天文台的巴德找到了哈勃常数测量的第一个重要的系统误差,他发现宇宙中存在两种不同类型的造父变星。哈勃用来确定周光关系的造父变星是第一型的,而他用来测量河外星系M31距离的造父变星却是更亮的第二型造父变星。这样,哈勃的第一级台阶产生了两倍的误差。修正了这一误差后,哈勃常数从500km/s/Mpc降低到了大约250 km/s/Mpc。

这样,宇宙的年龄也增大了一倍,看上去和地球的年龄不那么矛盾了。

1991年,美国科学家将一个口径2.4米的望远镜发射到了太空轨道上。这架望远镜以埃德温·哈勃为名,被称作哈勃太空望远镜。当哈勃望远镜上天以后,对造父变星的测量状况大大改善。由于没有大气的影响,哈勃望远镜具有无与伦比的分辨力和探测深度,可以轻松地分辨室女星系团中的造父变星,并且精确地测量其亮度变化。

2013年,微波背景辐射探测器PLANCK卫星发布了数据分析结果,显示哈勃常数的数值应该是67.3 km/s/Mpc,误差正负1.4 km/s/Mpc。这个数值看起来只比哈勃望远镜定出的数值低了一点,却引起一轮新的哈勃常数测量的热潮。2016年,亚当·瑞斯领导的哈勃常数测量队伍再次用宇宙阶梯法(图4)测量了哈勃常数。

这次,他们收集了临近宇宙中的2400颗造父变星,以及300颗Ia型超新星,将哈勃常数的测量精度推进到2.4%。

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