当埃德温·哈勃在1925年向天文学界宣布NGC 6822距离地球约214千秒差距时,他大概不会想到,这个数字不仅粉碎了银河系是唯一星系的观念,更开启了一个延续至今的测量难题 。一个世纪过去,人类已能将宇宙距离测量精度提升到百分之几,却在哈勃常数——这个以他命名的宇宙膨胀速率参数上陷入了前所未有的困境 。两种同样精确的测量方法给出了截然不同的答案,差异的统计显著性超过5个标准差,意味着这是随机误差的概率小于百万分之一。这不是简单的测不准,而是对现代宇宙学根基的质疑 。
哈勃当年的突破建立在一个简单而优雅的逻辑链条上:亨丽埃塔·勒维特在1912年发现造父变星的脉动周期与其内禀亮度存在固定关系,有了这把"标准烛光",再结合光度随距离平方反比衰减的物理定律,就能把天文观测转化为精确的距离测量 。哈勃在威尔逊山天文台用胡克望远镜拍摄的50多张底片中识别出11颗造父变星,计算出的距离是当时估计的银河系直径的两倍。这个结果斩钉截铁地证明:NGC 6822是银河系之外的独立恒星系统,宇宙的尺度比任何人想象的都要大得多 。
膨胀宇宙的发现与命名争议
图源：T.A.RECTOR (NRAO/AUI/NSF AND NOIRLAB/NSF/AURA) AND M.HANNA (NOIRLAB/NSF/AURA)
但哈勃的贡献不止于此 。1929年,他发表了更具革命性的发现:星系退行速度与距离成正比,这条直线关系的斜率后来被称为哈勃常数。这个发现为宇宙膨胀提供了观测证据,彻底改变了人类对宇宙本质的认识 。讽刺的是,比利时天文学家勒梅特早在1927年就从广义相对论推导出了同样的关系,并给出了数值估算,但因为论文用法文发表而未被英语世界注意 。直到2018年,国际天文学联合会才将"哈勃定律"正式更名为"哈勃-勒梅特定律",迟到的承认背后是科学史上常见的遗憾。
哈勃给出的最初数值是500公里每秒每百万秒差距,这个估计今天看来高得离谱,但在当时的观测条件下已属不易。随着技术进步,这个数字经历了漫长的修正过程 。上世纪七八十年代,天文学界在50和100之间激烈争论,直到哈勃空间望远镜关键项目利用造父变星将测距范围扩展到20百万秒差距,结合多种次级测距方法延伸到400百万秒差距,才将数值稳定在72左右,不确定性约10% 。这似乎是个圆满结局,但真正的麻烦才刚刚开始。
两种方法的不可调和矛盾
欧几里得空间望远镜“眼中 ”的不规则星系NCG 6822 。（图/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA）
另一条测量路径完全独立于宇宙距离阶梯 。宇宙微波背景是大爆炸遗留的辐射,其温度和偏振的微小涨落记录了宇宙早期的状态。普朗克卫星等探测器测量这些涨落,用包含暗能量和暗物质的标准宇宙学模型拟合,就能推算出哈勃常数 。这种方法的精度已达到1%以内,给出的数值约为67 。问题在于,基于造父变星和Ia型超新星的局域测量近年来越做越精细,数值稳定在69到74之间,不确定性同样只有百分之几。两种方法精度相当却结果不符,差距远超测量误差范围 。
诺贝尔奖得主亚当·里斯领导的团队在2024年公布的最新结果是74.03±1.42,与普朗克数据的张力进一步加剧 。东京大学与多国合作团队尝试用时间延迟宇宙学——利用引力透镜效应测量遥远类星体光线传播的时间差——这种完全独立的第三种方法来仲裁,但初步结果仍无法消除矛盾。芝加哥大学天文学家温蒂·弗里德曼因在这一领域的持续努力被《自然》评为2024年度十大科学人物之一,但即便是她也承认,目前还看不到简单的解决方案 。
1923年 ，哈勃在仙女星系中发现了造父变星V1，他运用勒维特定律计算出了仙女星系远远超出了银河系的大小 。但是正式论文是在1929年才发表的。图中显示的是造父变星V1的现代观测。
这种僵局意味着什么?可能性大致有三种 。第一,某个测量方法存在系统性误差 。造父变星的金属丰度、消光改正 、距离阶梯的累积偏差,或者宇宙微波背景拟合中的模型假设,都可能是隐藏的陷阱。但经过十几年的反复检验,主要团队都声称已将已知系统误差控制在统计不确定性之内 。第二种可能更有意思:标准宇宙学模型需要修正 。也许暗能量不是宇宙学常数,而是随时间演化的动力学暗能量,正如今年DESI项目暗示的那样。也许需要引入新的物理成分,比如早期暗能量或额外的相对论性粒子 。第三种可能最激进:广义相对论在宇宙学尺度上需要修正,我们需要全新的引力理论 。
在不确定性中前行的宇宙学
星系速度和距离的关系图：图中的点代表了银河系之外的星系 ，纵轴代表了星系远离地球的速度，横轴表示了星系的距离。
中国科协将"哈勃常数危机的解决与暗能量动力学本质的揭示"列为2025年十大前沿科学问题之一,认为这将引发对宇宙起源 、演化及基础物理定律的全新认知 。未来几年,韦伯空间望远镜将把造父变星观测推向更远距离,欧几里得和中国空间站巡天望远镜将提供海量的星系和引力透镜数据,下一代引力波探测器能通过双中子星并合直接测距 。这些新工具要么将帮助我们找到某个测量中的系统误差,要么将迫使我们承认需要新物理。
1927年 ，勒梅特（Georges Lemaître）发现：宇宙并非静态的，它会膨胀或收缩 。他甚至已经推导出了哈勃定律，但由于他发表的论文是用法文撰写的 ，所以当时并没有得到关注 。今天 ，为了突出勒梅特的贡献，天文学界已经把“哈勃定律 ”更名为“哈勃-勒梅特定律”。
回顾哈勃1925年那篇简短的论文,它的价值不仅在于揭示了银河系之外的宇宙,更在于建立了一套可靠的测量方法。正是这套方法的成功应用,才使得今天的矛盾如此尖锐和无法回避 。科学进步的吊诡之处恰在于此:更精确的测量不一定带来更清晰的图景,有时反而会揭示更深层的困惑 。1920年沙普利和柯蒂斯关于星云本质的"世纪大辩论"被哈勃的观测终结,但他同时开启了关于宇宙膨胀速率的新辩论,这场辩论在一个世纪后仍在继续,而且变得更加复杂。
今天 ，天文学家会通过宇宙距离阶梯来估算天体的距离：首先，天文学家需要通过视差法来计算银河系中造父变星的距离 。然后 ，天文学家会在那些包含Ia型超新星的邻近星系中寻找造父变星 ，将这些造父变星的亮度与银河系中的造父变星的亮度进行比较，进而估算出邻近星系的距离 。最后 ，在那些遥远星系中寻找Ia型超新星 ，并将它们的亮度与邻近星系中的进行比较，进而测得遥远星系的距离。通过构建这样一个强大距离阶梯 ，就可以计算哈勃常数的值 。（图/NASA, ESA, A. Feild, and A. Riess）
宇宙学从来不是沿着直线前进的 。从静态宇宙到膨胀宇宙,从匀速膨胀到加速膨胀,每一次范式转变都始于观测与理论的不可调和矛盾。哈勃常数的张力会不会预示着下一次革命?至少可以肯定的是,当谜底揭晓时,我们对宇宙的理解将再次被改写 。而这一切,都可以追溯到一个世纪前,那11颗在NGC 6822中闪烁的造父变星 。
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希望本篇文章《100年前，哈勃提出膨胀宇宙的观点打开了现代宇宙学的篇章》能对你有所帮助！
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