宇宙膨脹率

宇宙膨脹率，是宇宙的膨脹速度。當理論物理學家阿爾伯特·愛因斯坦一九一五年在創新立他的廣義相對論的時候，就已經認識到，他的學說將會導致一個震撼人心的預言：宇宙在膨脹。在那時，大多數天文學家都認為宇宙一直是那樣的，它不會隨時間改變的。而宇宙的膨脹速度就被稱為了宇宙膨脹率。

基本介紹

• 中文名：宇宙膨脹率
• 外文名：Cosmic expansion rate
• 釋義：宇宙的膨脹速度
• 提出者：阿爾伯特·愛因斯坦
• 提出時間：一九一五年
• 所在理論：廣義相對論

早期探索

一個膨脹著的宇宙意味著一件事：宇宙必然有一個開端。那就勢必會引出一個問題：在宇宙開端之前有物質存在嗎？在廣義相對論提出之前兩年，美國天文學家斯萊弗就已經通過測量幾個旋渦星系（那時候還叫“星雲”）的紅移得出了一個結論，即這些星系都在退行。一九二四年，美國天文學家哈勃觀測了仙女座大星系和其他一些旋渦星系，並測定了它們的紅移。結果發現，這些四面八方的星系都在遠離我們而去，星系離得越遠，退行的速度就越快。星系距離與退行速度之間的關係就是“哈勃定律”。由此定律得出的星系退行率就是“哈勃常數”，即宇宙膨脹的速率。人們根據新獲得的觀測結果不斷地修正著哈勃常數。

事實

事實上，沒有理由可以讓我們認為銀河系是宇宙中的一個靜止不動的星系。因為無論觀測者處在哪一個星系中觀測，都會得出相同的結論——其它所有的星系都在遠離而去。根據愛因斯坦的理論，膨脹宇宙中的星系本身並不運動，而是星系間的空間在膨脹。如果的確是這樣的話，那么在過去的某個時刻，宇宙就應該是一個處於極端高密狀態的點。據此還可以推算出宇宙的年齡。根據目前的估計，宇宙的年齡約為一百二十億至一百五十億年間。

不定的量

加拿大不列顛哥倫比亞大學的天文學家裡徹等人，利用哈勃望遠鏡，觀測到了距地球7000光年遠的天蠍座中一個被視為宇宙最古老的星系，它是在宇宙“大爆炸”後約10億年形成的。在該星系內有數十顆白矮星，即其核心燃料已燒盡的星體。這種星體可按預定速率變冷、變暗。這種可預測的冷卻率，可用於推算宇宙年齡。如果知道這些白矮星的冷卻率，就能夠根據它們的亮度來推算其年齡。里徹等人估計出這些白矮星已存在近130億年，再加上從宇宙誕生到形成這些天體之間相隔大約10億年，顯示出宇宙已存在140億年。

1928年，天文學家哈勃對星系進行測量後認為，宇宙處於均勻膨脹狀態，這表明宇宙有一個有限的年齡，當時他估計這個年齡為20億歲。

20世紀70年代末，由於對宇宙真正的膨脹率估值不準，人們認為宇宙的年齡應在80億年至180億年之間。1997年，天文學家利用哈勃望遠鏡對宇宙膨脹率進行精確測量，公布了一個可靠的宇宙年齡。後來，利用地面及哈勃望遠鏡進行連續觀測，發現宇宙膨脹率不是一個定量，而是存在一個特殊的“暗能量”產生加速度膨脹，以此測定宇宙年齡為130億年至140億年。

澄清一個事實，先舉個例子吧：假設空間膨脹率為2，現在有一把長20米的尺子，在零刻度的位觀察者看到10米刻度處了退行速度是10米每秒，而20米刻度處的退行速度是20米每秒。所以結論是什麼呢？宇宙加速膨脹了，而且推行速度剛好和距離成簡單的正比，也就是說距離越遠退行速度越快！很完美的結論，不是嗎？我們就沒有發現其中的錯誤嗎？事實就是，宇宙是在加速膨脹，但膨脹率一直保持不變。而且也不是由暗能量引起的宇宙膨脹，是一種機制，一種宇宙誕生之初就有的機制，雖然還需要論證但它已經初現端倪。

近期的校準

美國天文學家首次直接觀測到了一顆造父變星的直徑變化，從而能直接計算它與地球之間的距離。這將有助於更精確地測量各星系與地球的距離，“校準”宇宙膨脹率。

造父變星是亮度會發生周期性變化的一類恆星，北極星就是其中之一。據認為，這類恆星會像做“深呼吸”一樣不斷膨脹與收縮，產生光變。觀測發現，造父變星的光變周期與其真實亮度（絕對光度）有關，因此從地球上觀測到的亮度（視星等）同它們與地球的距離相關。如果得知一顆造父變星與地球間的確切距離，利用其它造父變星的視星等與絕對光度數據，就可以推算出這些變星的距離，從而確定它們所在的星系與地球的距離。而星系距離正是計算宇宙膨脹率的基礎。但離地球最近的造父變星——北極星離地球也有幾百光年，難以用傳統的視差法直接測量其距離。以往科學家只能用間接方法估算含有造父變星的星群的距離，進而推斷其它星系的距離。美國加州工學院帕洛馬天文台的科學家在最新出版的英國《自然》雜誌上報告說，他們採用“光學干涉測量”技術，使兩台小型望遠鏡發揮一台大型望遠鏡的效果，直接觀察到了“雙子座澤塔”造父變星的膨脹與收縮。“雙子座澤塔”是迄今發現的最亮的造父變星之一，離地球約1000光年。利用它的尺寸變化與亮度數據，就能直接計算它與地球的確切距離。在此基礎上，科學家可以更精確地計算其它含有造父變星的星系與地球的距離。