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宇宙的年龄有多大?新的哈勃常数给出更精确数值文章来源:科普中国 发布时间:2019-08-01

听起来很玄乎也不太好懂的哈勃常数,却是描述宇宙年龄和宇宙未来命运的关键。

最近,美国芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼(Wendy L. Freedman)领导的国际化研究团队创造性地给出了一种测量哈勃常数的新方法——使用红巨星作为“标准烛光”,得出了新的哈勃常数69.8km/s/Mpc,其值介于之前测得的两个旧哈勃常数之间,可能更精确了。这对人类更好地理解宇宙的过去和将来都有重大意义。

哈勃常数是什么?

宇宙是在膨胀的,这差不多已经成为众所周知的常识。宇宙的膨胀速度并不是均匀不变的,宇宙这个老司机仿佛是在山路上开车,它的行程有上坡阶段与下坡阶段,所以其膨胀的加速度是变化的——宇宙一开始是减速膨胀的,大约在距今50亿年前,宇宙开始了加速膨胀。

描述宇宙膨胀速度快慢的参数,被称为哈勃参数。这个参数不是一个常数,它是一个关于时间的函数H(t)。哈勃参数在t=0的取值就是哈勃常数H(0)。t=0就是现在这个时刻,也是人类出现的时刻(相对于宇宙寿命来说,人类的历史只是一个瞬间)。

哈勃常数一开始由美国天文学家哈勃引进。1929年,哈勃成为第一个发现宇宙膨胀的人,他通过天文观测发现河外星系都在远离银河系,从而证实了宇宙膨胀。几十年后,美国航天局发射了哈勃太空望远镜来进一步观测宇宙的膨胀。

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(哈勃,图片来源:百度百科)

哈勃在当时有一个惊人的发现,大多数星系都在远离银河系,而且距离银河系越远的星系,其离开银河系的后退速度也越快。这些星系远离银河系的速度和星系与银河系的距离之比值大致恒定,这一比值被称为哈勃常数

因为哈勃当时观测的是银河系附近的星系,所以可以认为他的观测没有涉及到宇宙深空(相当于没有涉及遥远的过去),因此其测量出来的哈勃参数就是哈勃常数。

两个旧哈勃常数“打架”

哈勃常数刻画的是现在宇宙的膨胀,因此它非常重要。于是,精确测定哈勃常数就成了一个很重要的物理问题——就好像精确测定光速或者普朗克常数一样,精确测量这个常数可以把物理学做得更完美。但是,对哈勃常数的测量还没有像对光速与普朗克常数的测量能做得那么准。而且,颇为尴尬的是,科学家居然测出了两个哈勃常数,而且相互之间差距在10%左右。10%的不确定性对一个物理学常数来说,真的有点太大了。

要测量哈勃常数,我们需要先了解这个物理量的量纲(单位)。哈勃常数的单位是(km/s)/Mpc。在这里km/s(千米每秒)是速度单位,刻画星系退行(即远离银河系的)速度;而Mpc(百万秒差距)是长度单位,刻画的是退行星系距离银河系的距离,1秒差距等于31万亿千米,一百万秒差距大约是326万光年。

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( 宇宙测距概念图,图片来源:NASA/JPL-Caltech)

第一个老的哈勃常数是由约翰霍普金斯大学诺贝尔奖获得者、亚当·里斯领导的研究组通过IA型超新星(一种由双星系统形成的超新星)与造父变星(一种光度和脉动周期直接关联的变星)测出来的,数值是(74km/s)/Mpc

IA型超新星亮度非常固定,而造父变星的亮度是周期性变化的,这些规律的存在使得它们可以成为宇宙中的“标准光源”——就好像大海中的灯塔一样,可以定出灯塔到船只的距离。而再根据测量到的IA型超新星与造父变星的光谱的红移,即可以定出它们的退行速度。这样就可以算出哈勃常数了。

第二个老的哈勃常数是由测量宇宙微波背景辐射的普朗克卫星测算出来的,数值是67.8km/s/Mpc

普朗克卫星的做法是测量宇宙微波背景辐射上面的重子声波振荡的大小。其主要测量思想是:在宇宙微波背景辐射形成之前,宇宙处于等离子状态,那时候的声速大约是三分之一倍的光速。那时候,在宇宙的任何一个地方存在密度扰动的话,产生的声波都会以三分之一的光速向外传播,这就好像我们在空气中说话会产生声波一样。但是,在宇宙微波背景辐射形成的时候,宇宙的物质状态发生了变化(不再是一个等离子体),这个时候声速突然降低到零,这个时候宇宙中的光子就可以自由穿梭不受束缚,同时也不再向宇宙提供压强支持,于是声速骤然降低。

于是,之前的声速(三分之一倍的光速)乘上宇宙大爆炸到宇宙微波背景辐射产生的时间,这个距离就是一个定值。这个距离值大概是147Mpc。而宇宙微波背景辐射出现时候的红移是1100(光波长被宇宙膨胀拉长1100倍)。根据这些数据,再代入所谓的冷暗物质宇宙学模型,就可以算出哈勃常数。

新方法测得新的哈勃常数

这次,温迪·弗里德曼等人使用了新的方法来测定哈勃常数。这个方法测出来的哈勃常数是69.8km/s/Mpc,正好介于两个老的哈勃常数之间。那么,他们是用什么新方法测定的哈勃常数呢?答案是红巨星。

我们知道,测量哈勃常数,需要知道两个关键数据:星系与地球之间的距离,以及星系相对于地球的退行(远离)速度。

通过红巨星的亮度,可以测出红巨星距离地球的距离,也就知道了这个红巨星所在的星系距离地球的距离。红巨星是恒星的老年期,一般情况下这个时候的恒星燃烧到后期会膨胀变大,而且温度降低。因为体积变大,所以从地球上看起来极为明亮(我们的太阳也会在数十亿年后耗尽燃料,成为一个红巨星)。

上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉记者:“红巨星形成之前,晚年的恒星内部的氦核处于简并态,就好像白矮星中电子处于简并态那样。白矮星到达1.44倍太阳质量就发生超新星爆发形成IA型超新星,亮度是恒定的。而恒星内部氦核达到大约太阳质量的一半时发生氦闪,其亮度也是大致恒定的(亮度基本都是-4),可以作为标准光源。”

换句话说,作为标准光源的这批红巨星的亮度是最亮的,而且它们的亮度是基本恒定的,那么它距离地球越远,其亮度就随着距离的平方变小——所以根据在地球上测到的红巨星的亮度,就可以知道它离地球多远了。而至于红巨星的退行速度,则可以通过地球上测量到的谱线的红移就可以算出来。

弗里德曼团队通过分析来自哈勃天空望远镜的18个红巨星的数据,重新计算出了新的哈勃常数69.8km/s/Mpc。

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(哈勃太空望远镜,图片来源:pixabay)

弗里德曼团队分析的红巨星的数据只有18个,数据量还不够多。随着数据量的积累,这项分析技术的精确度将变得更高,到那个时候,红巨星分析方法可能将成为计算哈勃常数的主要方法。

随着哈勃常数的测量越来越精确,这意味着天文学家可以排除一些错误的宇宙学理论——目前关于暗物质的理论层出不穷,随着哈勃常数被精确测定,这些理论有很多都会被淘汰。同时我们知道,哈勃常数的倒数与宇宙的年龄有关——哈勃常数越大,宇宙的年龄就越小。所以,测量哈勃常数,其实等价于在测量宇宙的年龄。因此,宇宙到底几岁了,这也是很多人关心的问题。最后,哈勃常数的精确确定,相当于定出了整个宇宙学模型的关键部分,从而可以让我们更好理解宇宙的未来命运走向