紅巨星讓物理學(xué)家測(cè)出了全新的哈勃常數(shù)（圖片來源：Credit: NASA/ESA/SPL）

撰文 | 張華

審稿 | 趙崢 北京師范大學(xué)物理系教授

宇宙是在膨脹的,，這差不多已經(jīng)成為眾所周知的常識(shí)。宇宙的膨脹速度并不是均勻不變的,，宇宙這個(gè)老司機(jī)仿佛是在山路上開車,，它的行程有上坡階段與下坡階段，所以其膨脹的加速度是變化的——宇宙一開始是減速膨脹的,，大約在距今50億年前,，宇宙開始了加速膨脹,。

描述宇宙膨脹速度快慢的參數(shù)，被稱為哈勃參數(shù),。這個(gè)參數(shù)不是一個(gè)常數(shù),，它是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)H(t)。哈勃參數(shù)在t=0的取值就是哈勃常數(shù)H(0),。t=0就是現(xiàn)在這個(gè)時(shí)刻,，也是人類出現(xiàn)的時(shí)刻（相對(duì)于宇宙壽命來說，人類的歷史只是一個(gè)瞬間）,。

哈勃常數(shù)一開始由美國(guó)天文學(xué)家哈勃引進(jìn),。1929年，哈勃成為首個(gè)證實(shí)宇宙膨脹的人,，他通過天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)河外星系都在遠(yuǎn)離銀河系,。同時(shí)，哈勃有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離銀河系,，而且距離銀河系越遠(yuǎn)的星系,，其離開銀河系的后退速度也越快。這些星系遠(yuǎn)離銀河系的速度和星系與銀河系的距離之比值大致恒定,，這一比值被稱為哈勃常數(shù),。

哈勃（圖片來源：百度百科）

哈勃常數(shù)刻畫的是現(xiàn)在宇宙的膨脹，精確測(cè)定哈勃常數(shù)就成了一個(gè)很重要的物理問題——就好像精確測(cè)定光速或者普朗克常數(shù)一樣,，精確測(cè)量這個(gè)常數(shù)可以把物理學(xué)做得更完美,。但是，對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量還沒有像對(duì)光速與普朗克常數(shù)的測(cè)量那樣準(zhǔn)確,。而且,，頗為尷尬的是，科學(xué)家居然測(cè)出了兩個(gè)哈勃常數(shù),，而且彼此的差距在10%左右,。10%的不確定性對(duì)一個(gè)物理學(xué)常數(shù)來說，真的有點(diǎn)太大了,。

要測(cè)量哈勃常數(shù),，我們需要先了解這個(gè)物理量的量綱（單位）。哈勃常數(shù)的單位是km/s/Mpc,。在這里km/s是速度單位,，刻畫星系退行（即遠(yuǎn)離銀河系的）速度；而Mpc（百萬秒差距）是長(zhǎng)度單位,，刻畫的是退行星系距離銀河系的距離,，1秒差距等于31萬億千米，一百萬秒差距大約是326萬光年,。

宇宙測(cè)距概念圖（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

第一個(gè)哈勃常數(shù)是由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的研究組,，通過IA型超新星（一種由雙星系統(tǒng)形成的超新星）與造父變星（一種光度和脈動(dòng)周期直接關(guān)聯(lián)的變星）測(cè)出來的,，數(shù)值是74km/s/Mpc。

IA型超新星亮度非常固定,，而造父變星的亮度是周期性變化的,，這些規(guī)律的存在使得它們可以成為宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)光源”——就好像大海中的燈塔一樣，可以定出燈塔到船只的距離,。而再根據(jù)測(cè)量到的IA型超新星與造父變星的光譜的紅移,，即可以定出它們的退行速度。這樣就可以算出哈勃常數(shù)了,。

第二個(gè)哈勃常數(shù)是由測(cè)量宇宙微波背景輻射的普朗克衛(wèi)星測(cè)算出來的，數(shù)值是67.8km/s/Mpc,。

這種方法測(cè)量的是宇宙微波背景輻射中的重子聲波振蕩的大小,。其主要測(cè)量思想是：在宇宙微波背景輻射形成之前，宇宙處于等離子狀態(tài),，那時(shí)候的聲速大約是光速的三分之一,。但是，在宇宙微波背景輻射形成的時(shí)候,，宇宙的物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了變化（不再是一個(gè)等離子體）,，這個(gè)時(shí)候聲速突然降至接近于零。于是,，之前的聲速乘上宇宙大爆炸到宇宙微波背景輻射產(chǎn)生的時(shí)間,，這個(gè)距離就是一個(gè)定值——147Mpc。而宇宙微波背景輻射出現(xiàn)時(shí)的紅移是1100,。根據(jù)這些數(shù)據(jù),，再代入冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型，就可以算出哈勃常數(shù),。

這次,，溫迪·弗里德曼等人使用了新的方法來測(cè)定哈勃常數(shù)。這個(gè)方法測(cè)出來的哈勃常數(shù)是69.8km/s/Mpc,，正好介于兩個(gè)老的哈勃常數(shù)之間,。那么，他們是用什么新方法測(cè)定的哈勃常數(shù)呢,？答案是紅巨星,。

我們知道，測(cè)量哈勃常數(shù),，需要知道兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：星系與地球之間的距離,，以及星系相對(duì)于地球的退行（遠(yuǎn)離）速度。

通過紅巨星的亮度,，可以測(cè)出紅巨星距離地球的距離,，也就知道了這個(gè)紅巨星所在的星系距離地球的距離,。紅巨星是恒星的老年期，一般情況下這個(gè)時(shí)候的恒星燃燒到后期會(huì)膨脹變大,，而且溫度降低,。因?yàn)轶w積變大，所以從地球上看起來極為明亮,。

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士后張佳駿告訴《環(huán)球科學(xué)》記者：“紅巨星形成之前,，晚年的恒星內(nèi)部的氦核處于簡(jiǎn)并態(tài)，就好像白矮星中電子處于簡(jiǎn)并態(tài)那樣,。白矮星到達(dá)1.44倍太陽質(zhì)量時(shí),，發(fā)生超新星爆發(fā)形成IA型超新星，亮度是恒定的,。而恒星內(nèi)部氦核達(dá)到大約太陽質(zhì)量的一半時(shí)發(fā)生氦閃,，其亮度也是大致恒定的（亮度基本都是-4），可以作為標(biāo)準(zhǔn)光源,?！?/span>

換句話說，作為標(biāo)準(zhǔn)光源的這批紅巨星的亮度是最亮的,，而且它們的亮度是基本恒定的,，那么它距離地球越遠(yuǎn)，其亮度就隨著距離的平方變小——所以根據(jù)在地球上測(cè)定的紅巨星的亮度,，就可以知道它離地球多遠(yuǎn)了,。而至于紅巨星的退行速度，則可以通過地球上測(cè)量到的譜線的紅移就可以算出來,。

弗里德曼團(tuán)隊(duì)通過分析來自哈勃天空望遠(yuǎn)鏡的18個(gè)紅巨星的數(shù)據(jù),，重新計(jì)算出了新的哈勃常數(shù)69.8km/s/Mpc。

這項(xiàng)研究發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站,，目前已被《天體物理學(xué)》雜志接收,。