國際天文學聯合會第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”。國際天文學聯合會將根據後續的投票情況，確認其最終名稱。
哈勃定律說的是：星系距離我們越遠，遠離我們的速度越快，二者成正比。速度與距離的比值被稱為哈勃常數。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的事實——宇宙正在膨脹。實際上，真正讓天文學家頭疼的是與哈勃定律關聯的哈勃常數。他們近百年來絞盡腦汁，使用各種方法，不斷縮小其數值範圍，卻依然無法得到一個公認的精確值。
可表徵宇宙年齡的常數
從1912年到1922年間，美國天文學家斯里弗觀測了41個星系（當時被稱為“旋渦星雲”）的光譜，發現其中的36個星系的光譜向紅端移動，他認為這種現象意味著這些星系正在遠離地球，其中速度最大的達到了1800千米/秒。
1927年，比利時天文學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。然後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家哈勃於1926年測出的距離，得到了一個粗略的正比例關係，比例常數為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”的數據，據此得到的哈勃常數的大小為500（千米/秒）/百萬秒差距（以下省略哈勃常數的單位）。
哈勃能夠利用造父變星測量距離，是因為美國哈佛大學天文臺的裡維特於1912年公佈的一個重要發現：造父變星最亮時的亮度與其光變的週期成正比。由於週期很容易確定，所以只需要確定出最臨近的一批造父變星的真實亮度，就可以根據這個關係確定遠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據，哈勃得到的正比例關係比勒梅特可靠得多，因此迅速震撼了科學界，這個結果被稱為哈勃定律，對應的常數被稱為哈勃常數。由於勒梅特的貢獻在這些年被越來越多的學者認識到，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。將哈勃常數取倒數，就是宇宙的大致年齡。根據哈勃得到的數值，算出的宇宙年齡大約為20億年，但是那個時代的地質測定方法已經算出地球的年齡為30億年，二者直接矛盾。
二戰期間，天文學家巴德區分出兩類造父變星，將哈勃常數的數值降低了一半，宇宙的年齡也就增加了一倍。1958年，美國天文學家桑德奇進一步修正了距離，將哈勃常數降到了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展，對哈勃常數的測定越來越精確，測量的星系的距離也越來越遠。2001年，“哈勃太空望遠鏡（HST）關鍵計劃”繼續推進對造父變星的測量，得到哈勃常數的值為72±8，“±”表示上下的誤差範圍。2018年2月，HST小組根據望遠鏡探測到的星系裡的造父變星，得到哈勃常數為73.45±1.66。2018年4月，結合HST與蓋亞衛星的結果，得到的值為73.52±1.62。
但在向遠距離推進的過程中，造父變星測量法遇到了困難：它們只能用來測量1億光年以內的星系的距離，因為更遠星系裡的造父變星無法被當前的望遠鏡發現。
為探測更遠的距離，天文學家們使用了Ia型超新星。研究表明，Ia型超新星最亮時的亮度雖然不一樣，但通過修正，可以將其統一到幾乎一樣的亮度。於是，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。測出距離後就可以得出哈勃常數。2016年，諾貝爾獎得主里斯領導的一個小組根據哈勃太空望遠鏡對Ia型超新星的觀測，得到的哈勃常數值為73.24±1.74。
隨著大爆炸宇宙學模型預言的微波背景輻射（CMB）被發現，人們還通過研究CMB的細節來計算哈勃常數。威爾金森CMB各向異性探測器（WMAP）小組多次公佈了計算值。從2013年起，新一代CMB探測器普朗克衛星也多次計算了哈勃常數的值，2018年給出的值是67.66±0.42。
與CMB有關的方法還有重子聲波振盪法與蘇尼耶夫-澤爾多維奇（SZ）效應法。所謂重子，主要指質子和中子。宇宙大爆炸產生重子產生了聲波振盪，即“重子聲波振盪（BAO）”，它們會在背景光子裡留下印記，形成冷熱不均的斑點。一兩億年後，物質在熱斑所在的區域聚集，產生了星系。研究這些星系，也就可以探索出BAO的特徵，並計算出哈勃常數。
除了以上方法外，還有兩種與引力有關的方法：引力透鏡法與引力波法。2016年，利用哈勃太空望遠鏡測到的引力透鏡時間延遲數據，得到的哈勃常數值為71.9左右。2017年8月17日，人類首次探測到雙中子星併合產生的引力波以及伴隨的其他爆發。有研究小組利用這次引力波探測，計算出哈勃常數值為70.0左右。
“三歲看老”並不可靠
如果細心比較上述各種方法得到的哈勃常數的值，就會發現一個問題：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；普朗克衛星根據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，這兩組數據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。因為宇宙學是一門精確科學，細微的差異都會導致宇宙的演化方式完全不一樣。
哈勃常數對於某個時刻的全宇宙各處是一樣的，所以被稱為“常數”。但是，哈勃常數卻會隨著時間演化，也就是說，幾億年前的宇宙和現在的宇宙，對應的哈勃常數並不一樣。當人們用38萬年前就脫離物質的CMB的性質來計算現在的哈勃常數時，可能就會因為理論的缺陷而得不到準確的結果。
正如里斯所說，用CMB相關的方法得到當前的哈勃常數，就像根據一個人童年時的照片推斷現在的身體特徵；用造父變星與Ia型超新星等方法計算當前的哈勃常數，就像直接看這個人當前的特徵。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，這也許與暗物質的穩定性有關係。不過也可能是因為宇宙學模型與具體的算法存在差異導致。
當前，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鏡可以進行更精確的探測，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後的真實本質，並修正當前模型的一些細節，幫助我們得到更精確的宇宙畫像。
（作者單位：廣西大學物理科學與工程技術學院）
原標題：比起哈勃定律的名字 這個常數更讓科學家頭疼
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