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宇宙膨脹的速度,一個重要的數值,天文學家們給出兩種答案

時間:2019-11-21 10:41:40 來源:本站 閱讀:4003275次

20世紀初,Besto Slipher對螺旋狀星云的觀測讓他得出了這樣的結論:除了少數螺旋狀星云(例如仙女座)外,其他大多數都在遠離地球。Edwin Hubble(艾德溫?哈勃)在1925年發現仙女座造父變星時,證實了螺旋狀星云其實是獨立的星系。

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圖解:從史匹哲太空望遠鏡拍攝到的螺旋星云的紅外線影像

這些脈動的恒星遵循“周期-光度”定律——光的變化時間越長,該恒星越亮,這使得我們可以確定他們之間的距離。哈勃發現仙女座離我們的星系太遠,無法成為我們星系的一部分。這證實了其他天文學家先前的懷疑:螺旋星云其實是獨立的星系。

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圖解:螺旋星云是一個位于寶瓶座的行星狀星云,距地球約700光年。它是最接近地球的行星狀星云之一,于1824年被卡爾·路德維希·哈丁發現。

利用來自Slipher和其他人的數據,Georges Lema?tre在1927年初步確定星系離得越遠,遠離我們的速度越快。但是,他用法語發表了他的論文,并沒有廣為流傳。哈勃在1929年獨立(與更好的數據一起)地發表了同樣的關系,他通常是認為是發現了現在被稱為“哈勃–勒梅特定律”的東西而備受嘉獎。他用方程v=H0d來表達這個定律,其中v是目標星系的速度(單位:千米/秒),d是目標星系與地球的距離(單位:兆帕秒),這里一兆帕秒相當于325萬光年。

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圖解:哈勃常數的三個步驟。

H0是一個常量,單位是千米每秒每兆帕秒。這意味著地球和目標星系之間每相隔百萬分之一秒,星系的速度(單位:千米/秒)就會增加這一個常數。這個速度其實并不是應河西穿越太空的速度,而是對宇宙空間自我膨脹的一個度量。

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圖解:哈勃常數的估計值,2001-2019年。黑色的估計值代表校準的距離階梯測量值,紅色代表早期宇宙的CMB/BAO測量值,∧cdm參數,藍色代表獨立測量值。

通過證明發現,確定H0的確切數值是困難的,大部分原因歸結于出單量目標星系距離的不確定性。由于計算距離中產生的誤差,哈勃最初設定的值為500km/s/Mpc,但是天文學家很快將這個數值縮小到50到100km/s/Mpc之間。

目前天文學家對于H0這個常量有兩個互相矛盾的值。利用哈勃太空望遠鏡通過觀測造父變星來確定到遙遠星系的距離,這個項目測出的值為78.3km/s/Mpc(誤差正負2.4km/s/Mpc)。但這個值與普朗克航天器對宇宙微波背景(CMB)的測量值略微有些不同,它的值為67.80(誤差正負0.77)。天文學家目前還不知道這種差距為什么存在。

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圖解:根據WMAP對宇宙微波背景輻射的觀測所繪制的圖像。

相關天文知識

造父變星的成員是一種非常明亮的變星,其變光的光度和脈動周期有著非常強的直接關聯性。造父變星是建立銀河和河外星系距離標尺的可靠且重要的標準燭光。 造父變星分成幾個子類,表現出截然不同的質量、年齡、和演化歷史:經典造父變星、第二型造父變星、異常造父變星、和矮造父變星。

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圖解:船尾座RS是銀河系中最亮的造父變星之一,由哈勃空間望遠鏡拍攝

在物理宇宙學里,哈勃–勒梅特定律指遙遠星系的退行速度與它們和地球的距離成正比。這條定律原先稱為哈勃定律,以證實者埃德溫·哈勃的名字命名;2018年10月經國際天文聯合會表決通過更改為現名,以紀念更早發現宇宙膨脹的比利時天文學家喬治·勒梅特。它被認為是空間尺度擴展的第一個觀察依據,今天經常被援引作為支持大爆炸的一個重要證據。

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圖解:宇宙的最終命運和宇宙的年齡,可以取決于測量現今的哈勃常數和推斷減速參數的觀測值,此參數特具密度參數值(Ω)的特征。所謂的“封閉宇宙”(Ω>1)即將在一次“大緊縮”(Big Crunch)后結束,比哈勃年齡年輕。“開放宇宙”(Ω≦1)永遠都在擴張且具有較接近哈勃年齡的年齡。我們所居住的宇宙為“加速宇宙”(accelerating universe),其年齡正巧非常接近哈勃年齡。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 林語墨- skyandtelescope

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