哈勃VS普朗克:宇宙膨脹速度究竟幾何?

維斯托•斯里弗爾(Vesto Slipher)在二十世紀初對漩渦星雲(spiral nebulae)的觀測使他得出了一個結論:除少數例外(如仙女座),大多數旋渦星雲都在逐漸遠離地球。

哈勃在仙女座發現造父變星(Cepheid variable stars),1925年,他證實旋渦星雲實際上是單獨的星系。


哈勃VS普朗克:宇宙膨脹速度究竟幾何?


這些有規律閃爍的恆星遵循著一種週期-光度規律(period-luminosity law):本質上,光變週期越長,恆星越亮。這使得確定它們與我們之間的距離成為可能。

哈勃發現仙女座太遠了因而不可能是我們星系的一個部分,這證實了其他天文學家此前懷疑的:旋渦星雲實際上是其他星系。


哈勃VS普朗克:宇宙膨脹速度究竟幾何?


喬治•勒梅特使用斯里弗爾和其他人的數據,在1927年試著斷定了星系越遠,就越快地急速遠離我們。

然而,他以法語發表論文,並沒有受到大範圍的關注。1929年,哈勃(使用更好的數據)獨立刊出相同聯繫,並通常被認為發現了現在所稱的哈勃定律(Hubble’s Law)。


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他用等式v = Hod表示這一定律,v是以千米每秒計算的星系速度,而d是星系與地球的兆秒差距距離,1兆秒差距是3.25百萬光年。

Ho 是以千米每秒每兆秒差距為單位的常數。

在地球和星系的距離每增加一個兆秒差距,以千米每秒為單位的星系速度就會增加一個常數量。


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這個速度並非星系在宇宙間穿行的速度,而是星系本身擴張的程度。

測定Ho 的精確值是困難的,這主要由於測量星系距離中的不確定性。因為距離計算中的錯誤,哈勃最初給出的值是500 km/s/Mpc,但天文學家們很快將其縮小到50到100 km/s/Mpc之間的某個值。


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目前,天文學家們有兩個相沖突的Ho值。一個密集型項目使用哈勃望遠鏡,通過觀測造父變星確定那些遙遠星系的距離,並將此值設定為73.8 +/- 2.4 km/s/Mpc。

但這個值略不同於基於普朗克望遠鏡(Planck spacecraft)對宇宙微波背景(CMB)的測量所得到的值:67.80 +/- 0.77。天文學家尚不清楚為什麼存在這一差異。


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相關知識

在物理宇宙學裡,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。

宇宙加速膨脹是宇宙的膨脹速度越來越快的現象。以天文學術語來說,就是宇宙標度因子a(t) 的二次導數是正值,這意味著星系遠離地球的速度,隨著時間演進,應該會持續地增快。這速度是哈勃定律裡所提到的退行速度。於1998年觀測Ia超新星得到的數據,提示宇宙的膨脹速度正在加快。物理學者索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特與亞當·里斯“透過觀測遙遠超新星而發現了宇宙加速膨脹”,因此,共同榮獲2006年邵逸夫天文學獎與2011年諾貝爾物理學獎。

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週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。


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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

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