比起哈勃定律的名字 這個常數(shù)更讓科學(xué)家頭疼
國際天文學(xué)聯(lián)合會第30屆大會近日閉幕，會上提出了一項提案：將著名的“哈勃定律”改稱為“哈勃-勒梅特定律”。國際天文學(xué)聯(lián)合會將根據(jù)后續(xù)的投票情況，確認(rèn)其最終名稱。
哈勃定律說的是：星系距離我們越遠(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)。雖然對哈勃定律的名稱存在爭議，但它描述的圖景已是公認(rèn)的事實——宇宙正在膨脹。實際上，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，卻依然無法得到一個公認(rèn)的精確值。
可表征宇宙年齡的常數(shù)
從1912年到1922年間，美國天文學(xué)家斯里弗觀測了41個星系(當(dāng)時被稱為“旋渦星云”)的光譜，發(fā)現(xiàn)其中的36個星系的光譜向紅端移動，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，比利時天文學(xué)家勒梅特利用愛因斯坦的廣義相對論，證明宇宙膨脹速度與距離成正比。然后他利用斯里弗測出的那些星系的速度和美國威爾遜天文臺天文學(xué)家哈勃于1926年測出的距離，得到了一個粗略的正比例關(guān)系，比例常數(shù)為575 或 625。1929年，哈勃用造父變星重新測定了此前測量過的星系的距離，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量距離，是因為美國哈佛大學(xué)天文臺的里維特于1912年公布的一個重要發(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亮度，就可以根據(jù)這個關(guān)系確定遠(yuǎn)距離造父變星及其所在的星系的距離。
因為使用了更精確的數(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，這個結(jié)果被稱為哈勃定律，對應(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)識到，所以才有了文章開頭提到的那個改名提案。
哈勃定律意味著宇宙在膨脹，也意味著宇宙可能是在某個時候誕生。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，但是那個時代的地質(zhì)測定方法已經(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。
多種方法提升測量精度
隨著理論與觀測的發(fā)展，對哈勃常數(shù)的測定越來越精確，測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)鍵計劃”繼續(xù)推進(jìn)對造父變星的測量，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，造父變星測量法遇到了困難：它們只能用來測量1億光年以內(nèi)的星系的距離，因為更遠(yuǎn)星系里的造父變星無法被當(dāng)前的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。
為探測更遠(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定了。測出距離后就可以得出哈勃常數(shù)。2016年，諾貝爾獎得主里斯領(lǐng)導(dǎo)的一個小組根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對Ia型超新星的觀測，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)來計算哈勃常數(shù)。威爾金森CMB各向異性探測器(WMAP)小組多次公布了計算值。從2013年起，新一代CMB探測器普朗克衛(wèi)星也多次計算了哈勃常數(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)”，它們會在背景光子里留下印記，形成冷熱不均的斑點。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)鏡測到的引力透鏡時間延遲數(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，計算出哈勃常數(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，就會發(fā)現(xiàn)一個問題：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。這個差異看上去很小，但帶來的問題卻不小。因為宇宙學(xué)是一門精確科學(xué)，細(xì)微的差異都會導(dǎo)致宇宙的演化方式完全不一樣。
哈勃常數(shù)對于某個時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)卻會隨著時間演化，也就是說，幾億年前的宇宙和現(xiàn)在的宇宙，對應(yīng)的哈勃常數(shù)并不一樣。當(dāng)人們用38萬年前就脫離物質(zhì)的CMB的性質(zhì)來計算現(xiàn)在的哈勃常數(shù)時，可能就會因為理論的缺陷而得不到準(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)一個人童年時的照片推斷現(xiàn)在的身體特征;用造父變星與Ia型超新星等方法計算當(dāng)前的哈勃常數(shù)，就像直接看這個人當(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。不過也可能是因為宇宙學(xué)模型與具體的算法存在差異導(dǎo)致。
當(dāng)前，人們還無法解決這個棘手的問題，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，或者理論家可以研究出更合理的理論，從而找出這個差異背后的真實本質(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。
