宇宙膨胀的速度有多快?，宇宙膨胀的速度是多少
chanong
|几十年来，天文学家一直在争论宇宙膨胀的速度有多快。现在有些人想知道他们测量空间距离的方法是否一直都是错误的。
众所周知，宇宙正在膨胀。对于膨胀的宇宙来说，有一个数字特别重要：它定义了宇宙的膨胀速度，决定了它的年龄，并决定了它的最终命运。这个数字就是哈勃常数。
哈勃常数以美国天文学家哈勃的名字命名。哈勃在1929年首次发现我们周围的星系正在远离我们，并且它们的离开速度与它们的距离成正比。公式为V=HD，其中V和D分别是星系的速度和距离，H是哈勃常数。哈勃常数表征了宇宙的膨胀率（提示：看看为什么哈勃常数表征了宇宙的膨胀率）。
如何测量哈勃常数
哈勃常数非常重要，天文学家必须密切关注它的测量。但这就是事情开始出现问题的地方。
由于H=V/D，我们需要测量物体的速度和距离来找到哈勃常数。测量天体的速度相对简单：天体距离我们越远，它到达地球时发出的光的波长就越长。这种现象称为“多普勒红移”。根据红移量可以非常准确地测量天体远离我们的速度。事实上，目前高速公路上的监控器就是根据这个原理来测量行驶车辆的速度的。
测量天体距离也非常容易。由于我们知道光的亮度与距离的平方成反比，因此我们只需将其与天体的真实亮度（恒星本身的辐射强度，其绝对亮度与距离的影响无关）进行比较即可。 ）。您可以使用其在地球上的亮度（也称为视亮度）来计算其距离。
但这里有两个问题：第一，我们如何知道天体的真实亮度；第二，来自遥远天体的光在到达地球时已经非常明亮了。既然如此黑暗，如何才能知道天体的真实亮度呢？我们能准确测量它的表观亮度吗？
为了解决这两个问题，天文学家在测量宇宙距离时通常会选择相对明亮且经过充分研究的天体，例如造父变星或Ia型超新星。造父变星是天空中亮度周期性变化的恒星，可以根据其表观亮度的周期性变化来估计它们的距离。 Ia型超新星的实际亮度在理论上是可以预测的，而且它的距离也可以根据它的视亮度来计算。
冲突的哈勃常数
这样，我们可以根据物体的红移来测量其远离我们的速度，或者根据其表观亮度来计算其距离。您可以根据速度和距离计算哈勃常数。
虽然测量红移没有问题，但测量表观亮度却存在很大误差，因为长期以来天文图像都是使用将光投射到胶片上的望远镜拍摄的。天体亮度及误差较大。当然，这样得到的哈勃常数也存在较大的误差。因此，哈勃常数的历史估计有两个，每个与两个权威数字相差100（km/s）/mpc，一个为50（km/s）/mpc，大约是2倍。双方主张不同立场，引发激烈争论。
到了20 世纪90 年代，数码摄影开始彻底改变天文学，使得获得比以前更高的分辨率成为可能。哈勃太空望远镜成功发射后，美国加利福尼亚州卡内基天文台的温迪·弗里德曼（Wendy Friedman）领导的团队利用哈勃太空望远镜�**沧暗氖胂嗷饬苛斯Ｊ⑾制渲滴�73（km/s） . /mpc。
现在弗里德曼的测量技术已经进一步提高，哈勃常数似乎最终应该被确定，但故事并没有就此结束。
造父变星和Ia 型超新星并不是测量哈勃常数的唯一方法。天文学家还可以使用宇宙微波背景（CMB）来预测哈勃常数应该是多少。
微波背景辐射是大爆炸后留下的余辉。最初，光波的波长很短，但随着宇宙的膨胀，它们的波长变得更长。由于波长增长与宇宙膨胀有关，因此哈勃常数也可以通过观测宇宙微波背景来确定。但与以往的方法不同的是，哈勃常数可以通过测量造父变星和Ia型超新星直接确定，因此在观测CMB的同时将其输入到宇宙学标准模型中就可以得到需要计算的哈勃常数。计算结果为67（公里/秒）/mpc。
两个值非常接近，但还是有细微的差别。双方科学家都乐观地认为，只要双方不断提高精度，差距就会缩小，双方会趋同。然而，出乎意料的是，这样做并没有缩小差距。更糟糕的是，以前这种差异可以用误差来解释，但现在误差已经不能解释它了。
通过两种不同方法获得的哈勃常数的差异称为哈勃碰撞。近年来，这次碰撞一直让天文学家感到困惑。
新的距离测量方法
尽管争论双方都存在疑问，但大多数天文学家都支持依赖宇宙微波背景的一方。
这样做的原因是，尽管CMB 测量可以非常精确，但如上所述，哈勃常数不能从CMB 本身直接确定，也不能通过将其输入到宇宙学标准模型中来计算哈勃常数。因为你需要。标准模型是根据广义相对论建立的，包含暗物质的影响等多个方面。迄今为止，这个模型在解释宇宙的各个方面都非常成功。然而，所有的宇宙学家都有“邪恶的想法”，希望宇宙发生一些事情。当这种情况发生时，你就知道这个模型并不完美，你将来还有事情要做。在这次哈勃碰撞中，CMB测量本身是如此精确和不容置疑，以至于只能对标准模型本身产生怀疑。所以近年来，他们提出了很多建议，包括为什么广义相对论不起作用，为什么宇宙中有奇怪的东西。
但美国加利福尼亚州的弗里德曼则不同，她的怀疑主要集中在之前对空间距离的测量。他表示，迄今为止依靠造父变星和Ia型超新星测量的空间距离可能是错误的，而且亮度可能会被星际尘埃削弱，所以需要另一种方法来验证这一点。找到一种方法来测量它。这就是为什么她专注于不同类型的物体：33,354 颗红巨星。
红巨星是恒星在燃烧后期所经历的“日落红”阶段。红巨星的表面温度相对较低，但由于其巨大的尺寸而极其明亮。大约50亿年后，太阳也将进入红巨星阶段。届时，太阳将膨胀，金星和水星将被吞噬。
红巨星比造父变星更简单，决定其真实亮度和颜色的物理原理也更容易理解。天文学家长期以来一直使用红巨星来测量距离，但由于它们比造父变星更暗，它们已经失宠。现在太空望远镜已经得到改进，雷达再次受到关注。红巨星比造父变星有一个很大的优势：造父变星通常集中在星系中心，那里有很多恒星和尘埃，光线很容易被遮挡，而红巨星很多都位于星系边缘，干扰很少。
差距正在缩小！
加州卡内基天文台弗里德曼领导的团队通过对红巨星的测量确定，哈勃常数的最新值为69.8（公里/秒）/mpc——。这正好位于前两个值73 之间。和67。这为解决哈勃争端带来了希望。
当然，新值与CMB的67还是有不小的差距。弗里德曼正在依赖詹姆斯·韦伯太空望远镜的测量结果，该望远镜计划于2021 年底发射。
韦伯太空望远镜可以观测到比哈勃太空望远镜更远的天体，而且与哈勃太空望远镜不同的是，韦伯太空望远镜是红外望远镜。红巨星发出的光大部分在红外波段，因此用红外望远镜观察时，它们显得比周围的恒星更亮、更显眼，而且测量精度也很高。
如果哈勃碰撞能够通过新的测量得到解决，我们将不得不反思之前对造父变星和Ia型超新星的测量出了什么问题，我们将被迫重新考虑暗能量是否存在的问题，它将会消失。提出来解释宇宙加速膨胀的理论，以及天文学家之所以得出宇宙正在加速膨胀的结论，是基于对造父变星和Ia型超新星的测量。
我认为那些希望看到标准模型被嘲笑的人会感到失望。
为什么哈勃常数表示宇宙的膨胀速度？
虽然两者字面意思都是“速度”，但宇宙膨胀率和物体运动率是不同的概念。例如，如果篮球在空间中移动，则对应于运动的速度，如果篮球不断膨胀，则对应于膨胀的速度。
在天文学中，宇宙膨胀的速度表示为空间距离每秒增加1 mpc（兆秒差距，一种天文长度单位，相当于326 万光年）。
这意味着什么？例如，如果你有一根1.5 米长的橡皮筋，1 秒后它会拉伸到1.8 米，增加30 厘米。如果把1.5米长的橡皮筋分成三段，每段长50厘米，拉伸时每段增加10厘米。
这里，橡皮筋拉伸的速度定义为1米长的橡皮筋在1秒内拉伸多少厘米。我们前面提到的橡皮筋1米段实际上拉伸了20厘米，所以增长速度是每秒每米20厘米。同样，在天文学中，每秒“每百万秒差距的空间距离”的增量被统一确定为宇宙的膨胀率，单位为（公里/秒）/mpc（公里/秒/百万秒）。差距）。
这样定义宇宙的膨胀率，我们发现，当宇宙以恒定的速度膨胀时（即膨胀率不变时），远离中心的点的速度与其距中心的距离成正比。中心。远离中心（如拉橡皮筋，距离为50厘米则拉动10厘米，距离为100厘米则拉动20厘米等），即天体的速度中心体=宇宙膨胀速度天体到中心的距离，这正是哈勃定律，V=HD。因此，哈勃常数实际上就是宇宙的膨胀率。
我们再看另一个问题。 20多年前，天文学家就发现宇宙正在加速膨胀，对吧？我们应该如何理解宇宙正在加速膨胀的说法？
我们知道光需要时间来传播，所以我们今天看到的物体实际上是过去发出的光。天体离我们越远，我们现在看到的东西就越有可能是很久以前的东西。我们目前测量的哈勃常数实际上是宇宙在过去某个时刻的膨胀率。因此，如果我们测量并发现附近物体的哈勃常数比远处物体的哈勃常数大，我们就可以说宇宙比过去膨胀得更快，或者说宇宙的膨胀正在加速。
由于宇宙膨胀正在加速，自然每个周期的哈勃常数都不同，宇宙没有统一的哈勃常数。然而，宇宙膨胀的加速度尚不清楚，我们假设它以近似恒定的速度膨胀，因此宇宙中一直存在统一的哈勃常数。文中提到的哈勃常数应该这样理解。