哈勃常数测量方法

加速膨胀宇宙模型

自20世纪20年代以来，美国天文学家哈德温·哈勃的观测使科学家们知道宇宙正在膨胀。那么，宇宙膨胀的速度有多快——所谓的哈勃常数是什么？

哈勃常数是宇宙的一个参数，在宇宙学计算中起着非常重要的作用。它决定了宇宙的绝对尺度、大小和年龄，是我们量化宇宙演化最直接的工具之一。此外，它还与暗物质和暗能量的性质有关，后两者是我们尚未揭示的宇宙奥秘中的两个。

100多年来，科学家分别通过观测Ia型超新星和宇宙微波背景(CMB)测量了两个哈勃常数的值，但这两个值是不同的，这让科学家们很困惑。现在，科学家通过对红巨星的研究，得出了一个新的哈勃常数值，该值介于上述两个值之间，使得整个事件更加扑朔迷离。

这两个哈勃常数是不一致的。

在20世纪20年代，哈勃(哈勃太空望远镜空以他的名字命名)和其他人发现宇宙正在膨胀——因为大多数星系离银河系越来越远，星系越远，它后退得越快。星系远离银河系的速度与星系到银河系的距离之比大致是恒定的，这被称为哈勃常数。

哈勃经过研究计算发现，当一个星系与地球的距离每增加100万秒差距(Mpc，约326万光年)，该星系远离地球的速度就增加500千米/秒，所以当时哈勃测得的哈勃常数值为500千米/秒/百万秒差距(km/s/Mpc)。

几十年来，随着测量技术的不断提高，天文学家大幅降低了哈勃常数的估计值。20世纪90年代，弗里德曼率先使用哈勃太空望远镜空测量了哈勃常数。计算值约为72 km/s/Mpc，误差范围小于10%。此后，约翰·霍普金斯大学诺贝尔奖获得者亚当·里斯(adam riess)领导的团队测得了迄今为止最精确的数值——74km/s/MPC，误差率仅为1.91%。

测量哈勃常数的难点在于可靠地测量星系的距离。在上述测量方法中，研究人员主要通过测量造父变星和Ia型超新星的运动来计算星系的距离，从而计算哈勃常数的值。

造父变星是一种特殊的恒星，其亮度变化周期与其自身的光度直接相关，因此可以用来测量星系的距离。而Ia型超新星则是一种亮度基本不变的爆发星，所以两者都被视为天文学上的“标准烛光”，用来计算遥远星系的距离。在里斯的研究中，他们测量了约2400个造父变星和约300个Ia型超新星的运动。

除了上述方法，参与欧洲航天局普朗克任务的科学家还通过观测宇宙微波背景，计算出一个新的哈勃常数值67.8km/s/Mpc。

里斯测得的74km/s/Mpc比普朗克卫星测得的67.8km/s/Mpc高9%。哈勃常数的倒数与宇宙年龄直接相关——哈勃常数的值越大，宇宙年龄越小。如果我们接受哈勃常数为里斯测得的值，比之前高9%，那么由此推断的宇宙将年轻10亿年左右。

或者与暗能量有关。

据英国《科学新闻》杂志网站7月17日报道，里斯对这种差异提出了一些可能的解释。一种可能是，加速宇宙膨胀的暗能量可能以更大或越来越大的力将星系推开，这意味着宇宙膨胀的加速度本身在宇宙中没有恒定值，而是随时间变化的。1998年，里斯因发现宇宙加速膨胀而与其他人分享了诺贝尔奖。

另一种可能是宇宙中存在一种新的亚原子粒子，其速度接近光速。这些快速粒子统称为“暗辐射”，其中包括一种叫做“惰性中微子”的粒子。与受亚原子力相互作用影响的正常中微子不同，这种新粒子只受重力影响。

还有一个更吸引人的解释是，暗物质和普通物质之间的相互作用比我们现在认为的更强。这两种情况都会改变现有的宇宙学标准模型。这个模型描述了一个包含宇宙常数λ、暗能量和冷暗物质(CDM)的宇宙。它是目前最简单的模型，能够很好地解释微波背景辐射的存在和结构，星系在大尺度结构中的分布，元素的丰度，宇宙的加速膨胀。

目前，科学家正在寻找解决方案，希望修改宇宙学的标准模型，使其能够解释哈勃常数两个值之间的不相容性。

红色巨星被选为新的“标准烛光”

在问题解决之前，科学家的另一条测量路径让整个事件更加扑朔迷离。

芝加哥大学天文学家温迪·弗里德曼领导的团队更新了哈勃测量方法中的一个关键元素——用红巨星代替造父变星作为宇宙的“标准烛光”，得到了69.8km/s/Mpc的数值。

科学家们一直试图找到一种比造父变星更好的“标准烛光”，因为造父变星经常存在于拥挤和尘埃区域，这可能会扭曲对其亮度的估计。正因如此，弗里德曼和他的同事避开造父变星，使用红巨星作为“标准烛光”来测量遥远的星系。

红巨星比造父变星更常见。在星系周围的区域很容易找到它们。在这些区域，恒星相互隔离，尘埃不是问题。红巨星的亮度变化很大，但作为一个整体，一个星系中的红巨星群有一个独特而明显的特征:这些恒星的亮度会在数百万年间不断增加，直到达到最大值，然后突然降低。当天文学家根据颜色和亮度绘制一大组恒星时，红巨星看起来就像一个边缘明显的点球，边缘的恒星可以作为“标准烛光”。

弗里德曼的团队利用这一技术计算了18个星系与地球的距离，得出了哈勃常数的最新估计值。

芝加哥大学宇宙学家洛基·科尔布(Rocky kolb)表示，随着关于红巨星数据的不断积累，技术的精确度将会提高，红巨星可能会在不久的将来击败造父变星，成为流行的“标准烛光”。

尽管如此，里斯说，这项红巨星研究仍然与星系中的尘埃量有关，尤其是在大麦哲伦星云中。他说:“尘埃很难估计，这可能也是这两个哈勃常数值很低的原因。”

“现在，我们正试图解释这一切，”弗里德曼在接受《自然》采访时说。如果宇宙膨胀速率之间的差异没有得到解决，这可能意味着天文学家用来解释他们的数据的一些基本理论，如关于暗物质性质的假设，可能是错误的。"