銀河系之外

1925年，哈勃（Edwin Hubble）發(fā)表了一篇里程碑式的論文，報(bào)告稱他在一個(gè)形狀不規(guī)則的天體NGC 6822（巴納德星系）中發(fā)現(xiàn)了11顆造父變星——這是一類會(huì)發(fā)生徑向脈動(dòng)、亮度隨時(shí)間周期性變化的恒星。

歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡“眼中”的不規(guī)則星系NCG 6822。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA）

這篇論文的最重要影響之一，就是解決了關(guān)于“星云”本質(zhì)的爭(zhēng)論：1920年，沙普利（Harlow Shapley）認(rèn)為，星云只是銀河系內(nèi)部的氣體云結(jié)構(gòu)，并且銀河系本身的尺度已經(jīng)非常巨大。與之相對(duì)，柯蒂斯（Heber Curtis）則主張，星云其實(shí)是與銀河系相似、但距離地球遙遠(yuǎn)得多的獨(dú)立“島宇宙”。

哈勃的發(fā)現(xiàn)提供了有力證據(jù)表明：銀河系并非宇宙中唯一的星系，而只是無(wú)數(shù)個(gè)“島宇宙”中的一個(gè)。這讓人們意識(shí)到，宇宙遠(yuǎn)比想象得更加浩瀚無(wú)垠。

這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了現(xiàn)代宇宙學(xué)這一研究領(lǐng)域。自此，天文學(xué)家可以通過(guò)造父變星來(lái)測(cè)量地球到銀河系之外的天體的距離，即所謂的“河外距離”。

丈量河外距離

哈勃的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是建立在勒維特（Henrietta Leavitt）的工作上。

1912年，勒維特發(fā)現(xiàn)，造父變星的脈動(dòng)周期與光度之間存在一條明確的定量關(guān)系。通過(guò)測(cè)量造父變星的脈動(dòng)周期，人們就可以根據(jù)這一關(guān)系推算出其內(nèi)稟亮度，這一規(guī)律后來(lái)被稱為“勒維特定律”。

1923年，哈勃在仙女星系中發(fā)現(xiàn)了造父變星V1，他運(yùn)用勒維特定律計(jì)算出了仙女星系遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的大小。但是正式論文是在1929年才發(fā)表的。圖中顯示的是造父變星V1的現(xiàn)代觀測(cè)。

根據(jù)平方反比定律，恒星的視亮度會(huì)隨距離增加而減弱：如果距離增加一倍，視亮度便會(huì)降低為原來(lái)的四分之一。因此，只需比較恒星的內(nèi)稟亮度與它在地球上呈現(xiàn)出的視亮度，就可以直接計(jì)算出這顆造父變星的距離。

最終，通過(guò)分析50多張由威爾遜山天文臺(tái)的胡克望遠(yuǎn)鏡在不同夜晚拍攝的NGC 6822底片，哈勃在其中識(shí)別出11顆造父變星，并利用勒維特定律計(jì)算出NGC 6822的距離約為214kpc（千秒差距；1kpc ≈ 3260光年）——這一距離是沙普利此前給出的銀河系直徑估計(jì)值（約100kpc）的兩倍。

由此，哈勃才得以用觀測(cè)證據(jù)表明：NGC 6822是一個(gè)獨(dú)立的恒星系統(tǒng)，而非銀河系內(nèi)部的一團(tuán)氣體云。哈勃在論文中寫(xiě)道：“NGC 6822是第一個(gè)被明確、無(wú)可置疑地判定為位于銀河系之外區(qū)域的天體。”

哈勃定律的建立

在研究NGC 6822的同時(shí)，哈勃也在仙女星系（M31）與三角星系（M33）中同步搜尋造父變星。對(duì)這三個(gè)星系的造父變星距離所作的直接測(cè)量，被他納入1929年的論文之中，并作為建立星系“速度和距離關(guān)系”的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在論文中，哈勃繪制了星系的速度和距離的關(guān)系圖，結(jié)果顯示二者呈現(xiàn)出了線性的關(guān)系：距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度越快。

星系速度和距離的關(guān)系圖：圖中的點(diǎn)代表了銀河系之外的星系，縱軸代表了星系遠(yuǎn)離地球的速度，橫軸表示了星系的距離。

這一發(fā)現(xiàn)為宇宙正在膨脹提供了觀測(cè)證據(jù)，并由此引出了“哈勃常數(shù)”——即速度-距離線性關(guān)系的斜率，用來(lái)描述宇宙的膨脹速率。

1927年，勒梅特（Georges Lemai?tre）發(fā)現(xiàn)：宇宙并非靜態(tài)的，它會(huì)膨脹或收縮。他甚至已經(jīng)推導(dǎo)出了哈勃定律，但由于他發(fā)表的論文是用法文撰寫(xiě)的，所以當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到關(guān)注。今天，為了突出勒梅特的貢獻(xiàn)，天文學(xué)界已經(jīng)把“哈勃定律”更名為“哈勃-勒梅特定律”。

哈勃常數(shù)爭(zhēng)議

根據(jù)哈勃的最初估算，哈勃常數(shù)的值約為500km/s/Mpc（1Mpc，即“百萬(wàn)秒差距”，約等于326萬(wàn)光年）。但隨著觀測(cè)手段的改進(jìn)，得到的哈勃常數(shù)也越來(lái)越精確。

今天，天文學(xué)家會(huì)通過(guò)宇宙距離階梯來(lái)估算天體的距離：首先，天文學(xué)家需要通過(guò)視差法來(lái)計(jì)算銀河系中造父變星的距離。然后，天文學(xué)家會(huì)在那些包含Ia型超新星的鄰近星系中尋找造父變星，將這些造父變星的亮度與銀河系中的造父變星的亮度進(jìn)行比較，進(jìn)而估算出鄰近星系的距離。最后，在那些遙遠(yuǎn)星系中尋找Ia型超新星，并將它們的亮度與鄰近星系中的進(jìn)行比較，進(jìn)而測(cè)得遙遠(yuǎn)星系的距離。通過(guò)構(gòu)建這樣一個(gè)強(qiáng)大距離階梯，就可以計(jì)算哈勃常數(shù)的值。（圖/NASA, ESA, A. Feild, and A. Riess）

在上個(gè)世紀(jì)七八十年代，天文學(xué)家曾在兩個(gè)差異巨大的數(shù)值之間激烈爭(zhēng)論：50與100km/s/Mpc。這一爭(zhēng)論后來(lái)由“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵項(xiàng)目”基本厘清。這一項(xiàng)目將造父變星的測(cè)距范圍擴(kuò)展到接近20Mpc。它還采用了若干其他的“次級(jí)”測(cè)距方法，將宇宙距離階梯——這一從近鄰天體出發(fā)、逐級(jí)向外延伸的測(cè)量體系——擴(kuò)展到了大約400Mpc的尺度。最終得出的哈勃常數(shù)為72km/s/Mpc，精度約為10%。

從2012年的WMAP衛(wèi)星，到2018年的Planck探測(cè)器，對(duì)宇宙微波背景的測(cè)量越來(lái)越精細(xì)，從而給出了愈發(fā)精確的哈勃常數(shù)估計(jì)值。（圖/ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team）

宇宙距離階梯是測(cè)量哈勃常數(shù)的一種最經(jīng)典的方法，但不是唯一的方法。另一種同樣精確的方法，是通過(guò)測(cè)量宇宙微波背景（大爆炸遺留的輻射）的溫度與偏振中極其微弱的漲落，并用由暗能量與暗物質(zhì)主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型對(duì)這些漲落進(jìn)行擬合，就能得到不確定性小于1%的高精度哈勃常數(shù)。由此得到的數(shù)值約為67km/s/Mpc，明顯小于近幾十年基于造父變星及其他恒星距離標(biāo)尺所得到的結(jié)果（約69~74km/s/Mpc，不確定性約1%~3%）。

迄今為止，沒(méi)有人知道暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？今年，趙公博領(lǐng)銜的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)基于“暗能量光譜儀（DESI）”項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了暗能量有可能并非此前認(rèn)為的是恒定不變的。（圖/DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor）

這兩種方法被認(rèn)為同樣精確，但卻給出了不一致的結(jié)果，使哈勃常數(shù)成為了宇宙學(xué)中最重大的謎題之一。這種差異是由兩種不同測(cè)量方法之間的測(cè)量誤差所導(dǎo)致的嗎？還是說(shuō)我們需要“新物理”才能夠解釋這種差異？未來(lái)，新一代的望遠(yuǎn)鏡和引力波探測(cè)器，將進(jìn)一步提升測(cè)量精度，從而有望解開(kāi)這個(gè)謎題。

在不確定中前行

哈勃在1925年發(fā)表的關(guān)于NGC 6822距離的論文，改變了天文學(xué)的發(fā)展方向，也極大地拓展了人類對(duì)宇宙尺度的認(rèn)識(shí)。一個(gè)世紀(jì)后的今天，人類雖然已構(gòu)建起精密的宇宙距離階梯，卻仍在哈勃常數(shù)的爭(zhēng)議中直面新的不確定性。這提醒我們，宇宙學(xué)的進(jìn)步并非沿著一條通向終點(diǎn)的直線前行，而是在不斷測(cè)量、修正與反思中，逐步逼近對(duì)宇宙真實(shí)面貌的理解。

#參考來(lái)源：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec1402

https://news.uchicago.edu/explainer/hubble-constant-explained

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：T.A.RECTOR (NRAO/AUI/NSF AND NOIRLAB/NSF/AURA) AND M.HANNA (NOIRLAB/NSF/AURA)