哈勃分歧 | 1.测定

  哈勃常数是哈勃定律中的退行速度与距离的比值,是一个常数值;传统的方法通过距离阶梯测量出星际间的距离,再根据多普勒效应和红移计算出退行速度,由此得到哈勃常数;现代科学家通过测量宇宙微波背景辐射,结合宇宙的演化理论,得到哈勃常数;而两种方法得到的哈勃常数的值有大约9%的差异.这个差异我们称之为哈勃分歧(the tension of Hubble Constant)

背景

哈勃定律

  1929年哈勃对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究,得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系:
v=Hdv=Hd
  其中v为退行速度,d为星系距离,H为比例常数,称为哈勃常数(Hubble constant).下图中,z可以表征v.
  实际上,哈勃常数并不是一个常数,而是随时间变化的一个函数,准确的称呼应该是哈勃参量.

造父变星

  上一期中提到了造父变星(Cepheid)以及周光关系,下面介绍一下造父变星的光变机理.造父变星是脉动变星的一种,光变周期稍长,变化星等不大,周期稳定;造父变星分为长周期造父变星和短周期造父变星,其中长周期造父变星又分为经典造父变星和室女座W型变星,两种类型的周光关系零点不同.
  当恒星演化到一定阶段,内部会出现不稳定性,引力和辐射压力会失去平衡,外部包层会出现周期性的膨胀和收缩,但这个脉动不涉及恒星的核心.造父变星的光变机理是基于上述原理产生的星体本身的膨胀收缩,引起半径周期性的增大与减小,表面积也周期性的增加与减少,温度和总辐射能量都发生变化,因而光度也周期性的增大与减小.另外恒星的颜色,光谱型,以及视向速度都会发生变化.

宇宙微波背景辐射

  1965年,贝尔实验室的彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)在调试一个为回声卫星计划而建造的角形反射天线时,在射电波段意外发现了约为3.5K的过剩天线温度.在排除了辐射来自天线内部或临近环境的可能性后,他们肯定这一各向同性,非极化的,与季节无关的辐射是来自宇宙远处的辐射信号.科学家认为,这就是宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB)的信号.

红移

  观测发现,宇宙中绝大部分的星系,恒星都远离我们而去,这在光谱上的体现就是红移,而只有极少部分的天体谱线蓝移.这充分体现了宇宙大爆炸和宇宙膨胀的思想.
  红移的大小由红移量衡量,用z表示:z=Δλλz=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}
  其中,λ是谱线原本的波长.

测速

  通过测得光谱红(蓝)移量,我们可以利用多普勒效应的简化公式计算出天体的视向速度:z=Δλλ=vcz=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}=\frac{v}{c}
  但是当速度接近光速时,简化公式不再适用,这时必须使用按相对论推导出的严格公式进行计算:z=c+vcv1z=\sqrt{\frac{c+v}{c-v}}-1
  由此我们可以通过测量天体的红移量,进而测定出天体的视向速度.

周光关系

  造父变星的绝对星等与光变周期之间存在简单的线性关系,通过多种方法均可得到该线性方程.通过多种方法的综合利用,现在得到的两种类型的造父变星的周光关系公式为(M为绝对照相星等,P为光变周期,以天为单位): M=-1.80-1.74lgP (经典造父变星) M=-0.35-1.75lgP (室女座W型变星)

视星等与绝对星等

  视星等(m)是指肉眼或通过天体辐射接收器所观测到的恒星亮度,实际上是接收到的星光的照度,而绝对星等(M)是天文学家为了比较恒星亮度的真实差异定义的,数值上等于恒星在10pc(32.6ly)处的视星等. 星等公式:M=m+5-5lgr(r为距离) 发展

测量

距离阶梯法

  有了上述的方法,我们就可以计算出哈勃常数了(e=10):

  在科学发展的过程中,科学家通过新的观测目标来代替造父变星,特别是星系距离远到一定程度时,现有的望远镜无法分辨出单独的恒星,新的观测目标其中之一就是Ⅰa型超新星(被称为标准烛光).拓展的方法我们称之为距离阶梯法.
  迄今为止,由距离阶梯法测得的较为精确的值是:

宇宙大爆炸

  根据宇宙大爆炸模型,大爆炸后最初的宇宙是“一锅粒子汤”,均匀的分布在当时的宇宙中.但是在这原始能量分布中有微小的涨落.大约在大爆炸后10-35s,宇宙开始经历暴涨,原本的微小涨落随着宇宙的暴涨也从微观尺度急剧放大,造成的影响在宇宙中传播,从而造成了物质分布的不均匀(即微小的各向异性),其中密度较大的“沟”在未来发育成为第一代的恒星与星系.
  在宇宙暴涨和冷却的过程中,离子和电子结合形成中性原子,这些中性原子不再吸收热辐射,宇宙不再是不透明的“云雾”,光子可以在宇宙中传播,这创世的第一缕曙光残留到今天就是宇宙微波背景辐射.

  涨落的影响在宇宙中的传播速度与哈勃常数有关,而这种影响造成的各向异性被记录在微波背景辐射中.目前通过卫星对微波背景辐射的扫描测量,我们可以从CMB的观测数据中得到这种影响的大小,再通过宇宙的演化模型来估计哈勃常数值.这是测量的方法之一.现代天文学家采用了ΛCDM模型的方法.
  目前通过普朗克卫星测得哈勃常数值为: