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距离阶梯和宇宙膨胀(一)——哈勃定律的发现 | 赛先生天文

来源:iscientists    发布时间:2019-05-20 10:30:14


(图片作者:Matipon Tangmatitham)

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?

作者  李然 (国家天文台)

故事开始的那年

1928年的一天,美国威尔逊山天文台的天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)询问他的观测助手赫马森 (Milton L Humason):“你是否愿意和我一起试验一下测量星云的红移?”  这一年哈勃39岁,已经是美国科学院最年轻的院士。4年前他测量了一系列星云的距离,这些测量使人类第一次确定,银河系并非宇宙的全部,夜空中的漩涡星云实际上是一个个和银河一样璀璨的恒星世界,也就是所谓的”河外星系”。这个伟大的发现为他带来了巨大的声誉。当他和妻子在欧洲旅行的时候,处处受到人们的欢呼,好像他们是皇家贵族。频繁社会活动使得哈勃亲自爬上望远镜的时间减少,却没有减少他对星系世界奥秘的渴求。在欧洲的旅行中,哈勃获得了灵感,开始酝酿一个新的观测计划。

星云的红移


所谓红移是指星系光谱的移动。星系发出的光并不是单色的,而是由不同波长的光组合成的。光束能量在不同波长的分布就称作光谱(图1)。 如果星系相对地球有运动,按照多普勒效应,星系的光谱会发生移动。当星系朝向地球运动,它发出来的光,波长会变短一些;如果星系远离地球而去,它发出来的光,波长就会变得长一些。在光学天文领域,天文学家习惯将短波长方向称作蓝端,而将长波方向称作红端。因此,星系光谱的变化就被对应的称作“红移”或者“蓝移”。

图1  星系的红移和蓝移示意图。当星系向观测者运动,光谱会向蓝端移动,反之则向红端移动。光谱中间的黑线是一条吸收谱线,在静止坐标系里谱线的位置完全由原子物理决定,它可以作为测量光谱移动的探针。

早在1914年,美国天文学家斯里弗(Vesto Slipher)就宣称,夜空中的星云都在远离地球而去,因为它们的光谱普遍存在光谱红移的现象。而且,斯里弗发现越暗的星云远离太阳系的速度就越快。但是在1914年斯里弗还无法确定星云的本质是什么,也就无法确切地阐释这一现象的原因。在进行了十几年的研究后,被测量误差困扰的斯里弗不得不放弃了这个领域。1928年,由于哈勃的工作,天文学家已经知道了星云其实是银河系外的恒星世界。测量星云红移 (或者应该正确的称作河外星系红移)就是测量星系远离银河系的速度。在哈勃看来,这种研究将为绘制河外空间的疆域提供重要线索。

哈勃知道自己具有两个斯里弗不具备的优势。首先,哈勃有办法测定河外星系的距离,因此他可以研究河外星系红移和距离之间的关系,而这对探索宇宙的结构具有重要的意义。哈勃的第二个优势是他可以使用当时世界上最好的望远镜——威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。当时科学界对斯里弗工作的数据质量比较怀疑,猜测他观测到的红移可能不够准确。胡克望远镜远比斯里弗使用的洛厄尔天文台望远镜强大,因此哈勃不但可以比斯里弗拍摄更暗的星系,而且可以以更高的精度获得红移。

事实上,哈勃还有第三个优势,那就是赫马森的经验。拍摄星云的光谱,需要长时间的曝光,对天文学家的观测技巧和耐心要求很高,而赫马森是威尔逊山天文台最优秀的观测天文学家。赫马森14岁辍学,没有受过高等教育,开始是以杂工的身份加入威尔逊山天文台,但他高超的望远镜操作能力很快折服了天文台的天文学家沙普利 (Harlow Sharpley) 和台长海尔(George Hale),成为了正式的驻站观测人员。在过去十几年里,威尔逊山天文台最重要的观测结果都有他的功劳。哈勃自己当然也是一个优秀的观测家,但是现在他已经慢慢离开观测第一线,赫马森就成了保证他计划成功的重要一环。

宇宙的距离阶梯


让我们来简单回顾一下天文学家测量天体距离的手段。

天文学上最准确的距离测量来自于视差法(图2)。地球在公转轨道上运行的时候,近处的恒星会因观测者视线方向的变化而产生相对恒星背景的位移。观测者通过观测目标天体在一年中相对恒星背景的变化,就可以通过三角法计算出目标天体的距离。但是视差法无法测量非常远的天体,那些天体在天球上的移动太慢了。例如哈勃当初就无法用视差法测量河外星系的距离,而不得不使用造父变星测距。

图2  视差法测距。地球绕太阳运动,因为视差的原因,在轨道的两段1点和2点处,观测者看到目标天体位置会从A点移动到B点。利用三角法,观测者可以从AB之间的差别计算目标天体的距离。图片来源:http://abyss.uoregon.edu/~js/images/parallax.gif


造父变星是一类亮度周期变化的恒星(图3)。造父变星的周期越长,其真实亮度就越大。这个规律被称为”周光关系”,由美国天文学家勒维特发现。造父变星这样的天体在天文学研究中被称作标准烛光。造父变星就好像一个个出厂功率标定的灯泡。天文学家通过比较这些灯泡的观测亮度和它们的真实亮度,就可以计算它们的距离。需要读者注意的是,就好像灯泡的额定功率需要实验校准,造父变星的”周光关系”也需要其他独立的观测校准。怎么做呢?天文学家首先对临近地球的造父变星进行”视差法”测距。这样这些造父变星就有了一个独立而精准的距离测量,这个距离可以用来标定它的”周光关系”。之后,天文学家就可以将标定好的”周光关系”用于更远处的造父变星了。

图3  造父变星是一种脉动天体,它的体积会周期性的变化。当造父变星变大时,就会显得更亮。而越亮的造父变星,光变周期也越长。图片来源:http://www.mso.anu.edu.au/~jerjen/researchprojects/cepheids/cepheid-variables.jpg


造父变星是比较亮的恒星,但它毕竟也只是一颗恒星。当河外星系距离银河系超过150万光年后,即使威尔逊山天文台的望远镜也无法分辨出其中的造父变星。这时候,哈勃必须寻找新的标准烛光来测量距离。而新的标准烛光,则需要造父变星来进行校准。这样利用不同的测距方法,一级一级向宇宙深处迈进的研究方法,被哈勃称作宇宙的”距离阶梯”。

1928年到1936年间,哈勃和赫马森寻找的第三级阶梯是星系中最亮的恒星,哈勃假设它们的绝对亮度和银河系中最亮的恒星相同。第四级阶梯则是星系团的亮星系,哈勃假设在星系团中第五亮的星系总是具有相似的亮度。用今天的眼光来看,这两级新的距离台阶远不如前两级台阶稳固。但无论如何,哈勃利用它们开始了自己的宇宙探索。

红移距离关系


哈勃的计划野心勃勃,他们观测的第一个星系就比斯里弗所有的星系都暗,显示了胡克望远镜的强大威力。这个星系像预料般的显示出了比以前所有星系都高的红移,它以大约3000千米/秒的速度逃离地球,是之前斯里弗测量到的最高红移星系的两倍。到1929年,哈勃和赫马森已经收集了四十多个个星系的红移,但能够测量距离的星系只有24个。

1929年哈勃发表了这批观测结果。这篇划时代的论文只有短短六页。在论文中,哈勃将这些星系的红移和它们的距离对应起来,画在一张图上(图4)。读者惊奇地发现这些星系远离地球的速度v正比于星系的距离D。哈勃用大写字母K代表星系退行速度和星系距离的比值,计算出K=500 km/s/Mpc。这里Mpc代表百万秒差距,是一种天文距离单位。百万秒差距大约等于326万光年。换句话说,哈勃的观测意味着一百万秒差距外的星系正在以500千米每秒的速度远离地球。这就是著名的红移距离关系。为了纪念哈勃的贡献,后来的研究者将这个关系称作”哈勃定律”,并在论文中用哈勃形式的首字母H来代表比例系数。

为什么星系会存在速度-距离关系?1929年的论文中,哈勃没有过度阐释这个关系的内涵,只是谈到它可能反应了宇宙学家谈到的时空效应,并没有进一步阐述。但这个发现让理论宇宙学家们激动不已,他们意识到,哈勃发现的可能是宇宙膨胀的直接证据。

图4  1929年哈勃画出的速度距离关系。图中每一个实心点是一个河外星系,横坐标表示星系的距离,纵坐标表示星系远离地球的速度(Hubble E, 1929, PNAS, 15, 168)。

膨胀的宇宙


怎样理解宇宙的膨胀?我们可以把宇宙空间想像成一块巨大的面包,而星系是这块面包上的葡萄干。当面包在烘烤过程中膨胀,葡萄干就会随着面包的膨胀远离彼此(图5)。在最初相聚越远的葡萄干,在膨胀的过程中远离彼此的速度也就越快。

图5  当面包在烘烤过程中膨胀,葡萄干就会随着面包的膨胀远离彼此。在最初相聚越远的葡萄干,在膨胀的过程中远离彼此的速度也就越快。图片来源:http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/eli_sonafrank/rasin_bread_expansion.jpg


在牛顿的绝对时空观中,空间的膨胀是无从解释的。但是进入20世纪,爱因斯坦已经为人们提供了广义相对论,在后者的框架下,宇宙的膨胀行为是由宇宙中所包含的物质决定的。事实上,早在1917年,爱因斯坦自己就将相对论理论试用于研究宇宙的动力学行为。他发现,如果假设宇宙中的物质在大尺度上均匀分布(后来被称作宇宙学原理,但那时候观测还远不支持这个猜测,但是爱因斯坦不在乎),那么根据广义相对论,宇宙空间不能够静态稳定,除非人们在方程中引入一个常数因子。这个常数因子后来被人们称为宇宙学常数。

但是在几年后,俄国科学家弗里德曼(Friedmann)利用相对论进一步研究了宇宙的动力学行为,他发现即使加上这个常数的因子,宇宙还是很难稳定存在,因为很小的扰动就可以使得宇宙偏离稳定状态,对于一个物质均匀各项同性分布的宇宙,膨胀或者收缩是一个自然的状态。有趣的是弗里德曼此人本职并不是物理学家,而是数学家。他的主要工作是将流体和气体动力学应用到气象学。但是当广义相对论传入苏联后,他很快理解了其重要性,并将之应用于宇宙学领域。弗里德曼在1922年和1924发表了两篇关于宇宙动力学的经典论文后便在1925年去世了。爱因斯坦本人开始并不相信弗里德曼的理论,在相当长的一段时间里稳态的宇宙更符合他的物理直觉,但经过和弗里德曼的通信后,爱因斯坦不得不承认弗里德曼的推导是正确的。在上世纪二十年代,宇宙学是非常冷清的研究领域。弗里德曼的研究发表后,居然长时间没有其他人关注跟进。直到1927年,理论家们才再次回到这个问题。勒梅特(Lemaitre)和罗伯森(Robertson)先后发表了膨胀宇宙的论文,他们指出如果宇宙真的是膨胀的话,宇宙中的天体距离和它们的红移之间应该存在关联。1929年,当哈勃开始陆续发表他的红移距离关系工作后,人们开始意识到,这可能是膨胀宇宙的一个重要证据。

爱因斯坦教授的看法如何呢?爱因斯坦现在对稳态宇宙的兴趣已经消退了,他开始对自己曾经引入宇宙学常数感到不舒服,把这个常数描述成一生最大的错误(虽然之后的历史表明,宇宙学常数确实存在,而稳态宇宙论也并非他犯下的最大错误)。1931年初,爱因斯坦应邀访问加州理工学院。一路上记者和媒体热切地追逐着他的一举一动,似乎随时都有几十名记者包围着他。如何用一个字定义第四维?如何用一句话说明相对论?如何评论美国的禁酒政策?爱因斯坦善于用玩笑躲避这些无意义的问题,但记者需要更劲爆的新闻。终于,在加州理工学院的演讲会上,爱因斯坦满足了记者们,在演讲的最后段落,爱因斯坦简短地宣布“哈勃和他的合作者对宇宙的研究具有划时代的意义”。现场一片哗然,哈勃瞬间成为记者们簇拥追捧的对象。

爱因斯坦放弃了稳态宇宙观,发现了宇宙膨胀的哈勃却有点退缩了 …… 

(未完待续)


作者简介


李然:毕业于北京大学天文系,获理学学士学位(2006年)和博士学位(2011年)。其后在国家天文台从事博士后研究,现为国家天文台副研究员。主要研究领域:引力透镜、星系形成以及宇宙学。


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