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二十节 哈勃定律
作者:陈少毅 来源:本站原创 点击:130次 评论:0

作者简介:陈少毅,汉族。1962年5月4日出生,大学本科学历,中教高级职称,高级中学教师,现已退休。

一、哈勃定律介绍哈勃定律:速度和距离均是间接观测得到的量。速度--距离关系和速度--视星等关系,是建立在观测红移--视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得,现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。

哈勃定律可以由牛顿第一定律推导而来。星系相对于地球匀速直线运动,v=hr=s/t,令r=s,当r极大时,h是时间的倒数,其变化趋近于无穷小,此时可以把h视作常数。t是宇宙的年龄。相同的t下,越远越快,反之越快越远。

1929年,E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比,即距离越远,视向速度越大。

哈勃定律是物理宇宙论的陈述:来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈勃和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后,于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据,和今天经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个重要证据。这个常数的最佳数值是在2003年使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测得的,数值为71 ± 4 km s Mpc。在2006年的资料,图中对应的是77 km s Mpc。

在宇宙学研究中,哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度--距离关系和速度--视星等关系,是建立在观测红移--视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得,现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。

河外星系的视向退行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越大。这个速度--距离关系在1929年由美国天文学家哈勃发现,称为哈勃定律或哈勃效应。(因为是在宇宙尺度上的,所以时间因素不能忽视,距离越远也就意味着时间越早。那么,是否可以说河外星系的视向退行速度与时间成反比,即时间越早,视向速度越大。)

哈勃定律( Hubble's law ):Vf = Hc x D

参数说明:

Vf:Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位:km / s

Hc:Hubble's Constant 哈勃常数 单位:km / (s·Mpc)

D:Distance 相对地球的距离 单位:Mpc 百万秒差距

在设法合理地估计了星系的距离之后,哈勃惊讶地发现,样本中距离地球越远的星系,其谱线红移越大,且星系的视向退行速度与星系的距离之间可表述为简单的正比例函数关系:v=H0r,(v表示星系的视向速度,星系的距离为r)这就是著名的哈勃定律,式中的比例系数H0称为哈勃常数。

哈勃于1929年3月发表了他的首次研究结果,尽管取得了46个星系视向速度资料,但其中仅有24个确定了距离,且样本星系的视向速度最高不超过1200公里/秒。实际上当时哈勃所导出的星系的速度-距离关系并不十分明晰,个别星系对关系式v=H0r的弥散比较大。后来他与另一位天文学家赫马森(M.L.Humason)合作,又获得了50个星系的光谱观测资料,其中最大的视向速度已接近2万公里/秒。在他们两人于1931年根据新资料所发表的论文中,星系的速度-距离关系得到进一步确认,且更为清晰。1948年,他们测得长蛇星系团的退行速度已高达6万公里/秒,而速度-距离关系依然成立。今天,哈勃定律已被众多的观测事实所证实,并为天文学家所公认,而且在宇宙学研究中起着特别重要的作用。哈勃定理有意思的是,哈勃这位举世公认的星系天文学创始人始终不愿接受术语"星系",他在自己的论文和报告中一直坚持用"河外星云"来称呼河外星系。因此,美国历史学家克里斯琴森(G.E.Christianson)亲昵地把哈勃称为"星云世界的水手",并以此作为书名,用35万余字(中译本字数)的篇幅详细记述了哈勃的科学生涯,特别是他在星系世界中长年的辛勤劳作和做出的不朽业绩。

哈勃常数在二十世纪后半,哈勃常数H0的值被估计约在50至90(km/s)/Mpc之间。

哈勃常数的值曾是个长久而激烈的争议主题,Gérard de Vaucouleurs主张其值应为80而Allan Sandage则认为其应为40。1996年,由JohnBahcall主持,包含Gustav Tammann及Sidney van den Bergh的辩论以类似早期Shapley-Curtisdebate的模式举行,主题针对上述两个竞争数值。1990年代晚期,引进宇宙的λ-CDM模型,数值差异的问题被部分地解决。在此模型下,利用苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应进行的X光高红移群及微波波长的观察、宇宙微波背景辐射各向异性的量度和光学调查皆测定哈柏常数的值为70左右。

利用哈勃定律v=H0 r,只要能确知哈勃常数H0,便可由天体的视向速度v得出其距离r,称为宇宙学距离,这里唯一需要取得的观测资料是远方天体的视向速度。这样r=v/H0 也许便是确定天体宇宙学距离的最为简单的一种标距关系,但前提是哈勃常数必需已知。

作为天文学分支学科之一的宇宙学,主要是从大尺度(甚至整体)上研究宇宙的结构和演化,又可分为观测宇宙学和理论宇宙学模型两方面的内容,不过两者之间有着密切的联系。"大尺度"结构,通常是指范围在10Mpc(3000万光年)以上的宇宙物质分布情况,而目前所能观测到的宇宙尺度为10光年量级。在宇宙学中,有一条未能完全证实的"公设"性基本原理,即宇宙学原理。它的含意是:在空间中任意一点,以及从任意一点位置上的任一方向来进行观察的话,宇宙的大尺度图景是没有区别的;而且对宇宙中各处的观测者来说,他们所观察到的物理量和物理规律完全相同,没有任何一个观测者会处于与众不同的特殊地位。根据宇宙学原理,地球上所观察到的宇宙大尺度图景也能被处于任何其他天体上的观测者看到,这就意味着由地球观测者所发现的哈勃定律应该同样适用于宇宙中的任何天体。于是可以得知,在任何一个星系上,都能观测到其他星系在作远离该星系的退行运动,而且距离越远的星系退行速度越大。由此可以得出一个重要的推论:对宇宙中的任何两个星系来说,它们都在彼此互相远离,而且星系间的距离越远,相互远离的速度也越大。哈勃定律因此对由哈勃定律所推断的上述大尺度宇宙图景的最简单的物理解释便是整个宇宙在不断膨胀,且这种膨胀是均匀各向同性的,这正是大爆炸宇宙模型的预期结果。

哈勃常数的倒数t0=r/v=H0具有时间的量纲,称为哈勃时间。既然哈勃定律是由大爆炸引起的宇宙膨胀的一种观测效应,那么在过去遥远的某个时间,具体说来就是在t0时间前,宇宙中所有的物质必然聚集于一点,或者说一个极小的空间范围内。可见,一旦确定了哈勃常数的具体数值,便可以估计宇宙的年龄。由近期测定的哈勃常数H0=73km/(s·Mpc),可以推算出宇宙年龄的上限为137亿年(不过有报道称,2006年8月一项新的研究结果是宇宙的年龄应为158亿年,可是对此仍然存在争议)。哈勃定律表征了宇宙膨胀,但哈勃常数并不是宇宙膨胀的速度,而是星系间退行速度的变化率。哈勃常数的单位是每百万秒差距、每秒公里,如采用H0=73km/(s·Mpc),那么星系间的距离每增大1Mpc,星系的相互退行速度便增大73公里/秒。

在哈勃定律发现之前,苏联数学家弗里德曼(A.A.Friedmann)于1922年首次论证了宇宙随时间不断膨胀的可能性,从而对爱因斯坦的静态宇宙观念提出了挑战。比利时主教、天文学家勒梅特(G.Lemaltre)在弗里德曼工作的基础上,经过5年的潜心研究,于1927年提出均匀各向同性的膨胀宇宙模型。在这一模型中,遥远天体的红移(即退行运动)起因于空间膨胀,勒梅特还预言红移的大小应该与天体的距离成正比。但是,1920年代的通讯技术和学术交流远不如现在发达,大洋彼岸的哈勃对弗里德曼和勒梅特的理论一无所知。可见,哈勃定律的发现过程并不是刻意为了证实膨胀宇宙模型,它完全是哈勃本人在观测和细心分析的基础上所获得的原创性成果。星系存在普遍性退行运动以及哈勃定律的发现,对宇宙膨胀及大爆炸宇宙论是一个强有力的支持。

宇宙中的各类天体必定形成于宇宙诞生之后,自然它们的年龄都不可能超过由哈勃定律推算出的宇宙年龄137亿年。根据恒星演化理论,可以推知最年老星系和恒星的年龄为100多亿年;太阳现在的年龄约为50亿年,地球年龄约为46亿年,所有这些由不同途径测得的涉及各类天体年龄的结果,都可以按合理的时序一一纳入大爆炸后宇宙整体演化的框架内。尽管哈勃第一篇涉及星系速度-距离关系的论文只有短短的6页,却是人类对宇宙认识的一次飞跃。著名的美国宇宙学家惠特罗(G.J.Whitrow)把哈勃定律和400年前哥白尼提出的日心说相提并论,在天文学史上两者都具有革命性的意义。尽管哈勃在他的这篇开创性论文中没有提到宇宙膨胀的概念,但由于他的重要发现,长久以来关于静止宇宙的图像终究被动态的膨胀宇宙模型取代了。

二、疑点:

哈勃定律v=H0 r,只要能确知哈勃常数H0,便可由天体的视向速度v得出其距离r,称为宇宙学距离。天体视向速度v与光速C是什么关系?哈勃常数H0为什么不是个定值?常数的取值的理论依据是什么?这样测出的距离r有多大的可信度,反正我们又不能去量。

更新:2020/10/15 6:04:52 编辑:fengyefy
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