哈勃宇宙膨脹率

泡泡宇宙假說或推翻，哈勃算出更精確宇宙膨脹率。即“哈勃宇宙膨脹率”。2011年03月18日科技日報訊息，利用哈勃太空望遠鏡，美國國家航空航天局（NASA）以迄今最精確參數重新計算了宇宙膨脹率之後，即“哈勃宇宙膨脹率”。排除了一種可能代替暗能量的泡泡宇宙假說。研究結果將發表在4月1日出版的《天體物理學雜誌》上。

基本介紹

• 中文名：哈勃宇宙膨脹率
• 成績：泡泡宇宙假說或推翻
• 出處：《天體物理學雜誌》
• 包括：包括宇宙泡泡理論

簡介

科技日報（2011年03月18日）信息，利用哈勃太空望遠鏡，美國國家航空航天局（NASA）以迄今最精確參數重新計算了宇宙膨脹率之後，即“哈勃宇宙膨脹率”。排除了一種可能代替暗能量的泡泡宇宙假說。研究結果將發表在4月1日出版的《天體物理學雜誌》上。宇宙正顯出以越來越大的速率在膨脹。一種暗能量理論認為，這是因為宇宙中充滿了暗能量，通過與萬有引力相反的方向對星系推動造成的；而另一種替代暗能量的泡泡宇宙假說認為，這種景象可能是個幻覺，如果我們生活在一種跨越80億光年且包含著鄰近星系的巨大泡泡中，且處於離泡泡中心較近位置，就會看到星系之間的距離在加速拉開。

泡泡爆裂

而現在，天文學家改進了對宇宙當前膨脹速度的測量，能夠證明泡泡宇宙假說是錯誤的。該研究由太空望遠鏡科學研究院（STScl）的亞當·里斯和馬里蘭州約翰·霍普金斯大學共同領導，超新星Ho物態方程小組（SHOES）進行的這次測量，提高了哈勃常數的精確度，使其在觀察暗能量變化時更為精確。研究小組將當前宇宙的膨脹率數值的不確定性降低到了3.3%，與上次在2009年時的測量相比，誤差減少了30%。哈勃常數是河外星系推行速度同距離的比值，可以表示宇宙膨脹率。他們算出的新值為73.8公里/秒·百萬秒差距，這意味著一個星系距離地球每增加百萬秒差距（3.26百萬光年），它離我們而去的速度每秒就增加73.8公里。暗能量是現代物理學關於宇宙的最神秘問題之一。對此，愛因斯坦曾構想出一種推動力，稱為宇宙常數，以抵消萬有引力的作用而保持宇宙穩定。到1929年天文學家愛德溫·哈勃發現了宇宙在膨脹後，他也放棄了這種觀點。此後直到1998年，兩個研究小組發現了暗能量的觀察證據，里斯領導的研究小組就是其中之一。

宇宙泡泡理論

由於暗能量的令人費解，許多科學家開始構想其他的解釋，其中就包括宇宙泡泡理論。該理論認為，低密度的泡泡會比圍繞它的質量更大的宇宙泡泡擴張得更快。對於泡泡內部的觀察者來說，就會顯出好像是有一種暗能量的力量正在將整個宇宙推開。泡泡假說要求宇宙的擴張率比天文學家所計算的更慢，大約60公里/秒·百萬秒差距到65公里/秒·百萬秒差距。根據里斯小組報告，他們把哈勃常數值的不確定性降低到3.3%後，已經排除了所有關於更低數字的質疑。合作研究人員德州農工大學盧卡斯·馬克利解釋說：“泡泡理論的最大挑戰是，它要求我們必須生活在離泡泡中心很近的地方。自從我們知道有某種神秘的東西在給宇宙加速以來，雖然只發生了約百萬分之一的變化，但卻向我們指出更準確的方向。”

追蹤暗能量

里斯對暗能量一直追蹤研究了13年。他發現的遙遠Ia型超新星比預期的更加昏暗，這意味著它們比預期的更加遙遠，從而發現了暗能量的存在。他認為，造成這一現象的唯一原因是，宇宙的擴張在過去某個時候被加速了。在此發現之前，天文學家們普遍認為，由於星系間萬有引力的吸引作用，宇宙擴張正在逐漸慢下來。但這一結果暗示著，有某種神秘的力量正在反作用於萬有引力，以越來越快的速度猛推著星系互相遠離。里斯認為，縮小暗能量範圍的最佳方式是測出更精確的哈勃常數值。用儀器測量宇宙膨脹率可不像用捲尺測量自家的門廳，在兩端放下尺子就行了。研究小組首先必須確定恆星之間或近或遠的準確距離，再用星系退行（由於空間擴張所表現出的後退）速度和這些距離相比，然後用這兩個值算出哈勃常數。

宇宙的尺度

由於無法實際測量星系距離，必須找到一種“宇宙的尺度”作為相對參照物，通過比較它們的真實亮度和從地球上看來的相對亮度而推斷出它們的距離。在可靠的宇宙標尺中，里斯小組同時選擇了造父變星和一種稱為Ia型超新星的爆發恆星，它們爆發的亮度都非常相似，足以照亮遙遠的宇宙。通過將Ia型超新星顯出的亮度和脈衝星造父變星相比較，天文學家能準確地測出它們的內部亮度，由此計算出Ia型超新星與宇宙中各個星系的距離。在過去80年裡，眾多天文學家一直在測量哈勃常數，里斯也是其中的一位。哈勃望遠鏡在幫助天文學家精確測量宇宙及其膨脹方面發揮著重要作用。它在1990年發射以前，常數的估計值也曾經歷過一些變化，1999年再次將誤差減小到約10%。研究小組認為，在哈勃測量乏力之前，繼續使用這種方法還能把不確定性再減少一半，使暗能量的性質更加凸顯，有助於天文學家對宇宙性質的估計更準確，更多了解宇宙形狀、早期宇宙中的中微子或其他幽靈粒子等。此後就需要能力更強的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡來發揮能力了。

暗能量

暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量與萬有引力來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結構中約占73%，占絕對統治地位。暗能量是宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”。另一個證據來自對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。人們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約只占其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量。

哈勃常數

美國天文學家哈勃 美國天文學家哈勃於1929年發現星系退行速度與其距離存在著正比的關係，即所謂「哈勃定律」：退行速度v=H0X距離d，其中H0就是哈勃常數。隨著哈勃定律的提出，宇宙膨脹的觀念逐漸確立。天文學家後來發現哈勃常數遠超過當初哈勃所認知的內容。H0原來不單是量度宇宙膨脹的一個參數，而且還可以用來計算宇宙年齡、宇宙大小、宇宙中黑暗物質的數量、重子數目、輕元素豐度、甚至早期宇宙形成的結構等等。找尋H0的數值因此便成為近代天文學家的重要課題。事實上，哈勃太空望遠鏡的一個主要任務，以至其主鏡大小的設計，都跟尋找H0有莫大關係。

美國天文學家哈勃

哈勃定律 我們可以從哈勃定律看到要尋找H0，先要測量出天體(主要是星系團)的退行速度和距離。哈勃本人在1929年給出第一個數值：H0=513km/s/Mpc，即一個距離我們一百萬秒差距的天體，它的退行速度是每秒513公里(一秒差距=3.26光年)。哈勃於1953年逝世後不久，桑德奇將H0修正在50與100之間。若我們接受大爆炸理論，H0=50表示宇宙年齡介乎130到165億年之間。若H0=100，即表示宇宙年齡介乎65到85億年之間，而實際數字則取決於宇宙的物質密度。直至90年代哈勃太空望遠鏡升空前，天文學家從觀測計算到的H0依然是介乎50與100之間。為甚么仍有兩倍的不確定呢？原來測量H0有兩個主要的誤差：第一個是測量退行速度的誤差，雖然天文學家利用光譜及都卜勒效應，已經很準確地找到個別星系的退行速度，但由於與鄰近星系及星系團的引力作用，這個退行速度便不完全是因宇宙膨脹而產生。第二個誤差，也是最重要的一個誤差，就是距離量度的不確定。

哈勃定律

測量造父變星 除了幾百光年內的星體外，天文學家很主要倚靠測量造父變星來計算天體的距離，利用地面望遠鏡測量造父變星，可直接給出約二、三千萬光年內星體的距離，而對於更遙遠的星體，天文學家便要藉助其它方法，但這些方法還是需要利用造父變星來作校正。哈勃太空望遠鏡的一個重點計畫，就是要測量更多更遠星系中的造父變星(遠達6,500萬光年)，從而更準確地校正其它測量遙遠天體的方法，使我們更精確地把距離測量擴展至三億二千萬光年。此外，這個重點計畫也會針對在室女座及天爐座兩個星系團作仔細觀測，從而得出更準確的H0數值。

測量造父變星

女天文學家費利曼 以女天文學家費利曼為首的26人小組，是這個重點計畫的主持人。雖然這個計畫仍在進行中，但迄今已有不少成果。早於1994年這個重點計畫落實的初期，這小組已從旋渦星系M100的觀測中計算出H0=80±17，折算宇宙年齡大約在80億至110億年左右。當時曾掀起一場爭論，因為從恆星演化理論得知，一些最老的球狀星團可能已有150億年的壽命，怎可能星體比宇宙更年老？隨後幾年的不斷觀測，特別是NGC925、NGC1023、NGC3351、M101、NGC7331、NGC4414及NGC1365，到1999年為止最新的H0是70±10，相對於宇宙年齡90億至120億年。同時從依巴谷衛星得出的資料顯示，球狀星團的距離可能更遠一些，加上重新檢視球狀星團的理論模型，天文學家相信球狀星團的年齡並不是最初估計的年老。這場爭論的分歧因此便日益減少。

女天文學家費利曼

Ia型超新星爆炸 除了費利曼這個小組的工作外，桑德奇利用Ia型超新星爆炸作為計算距離的方法，測出H0=55-60，此外，埃利斯等天文學家利用統計方法算出H0介乎66至82之間。還有一些天文學家另創新方法來測量H0，例如利用引力透鏡現象及微波背景輻射與星系團的熱電漿造成的散射現象等等。跟50年代H0數值的兩倍不確定比較，今天在探求這個重要天文參數的數值工作上，已有了一定的進步。

Ia型超新星爆炸