探求Ho
到此已经集中讨论了哈勃定律的形式以及其理论解释。接下来将讨论哈勃定律的另一个重要方面,这就是常数Ho的值。哈勃常数Ho是宇宙学中一个最重要的参数,但同时也反映了大爆炸模型的一个缺陷。大爆炸理论不能预测这个重要的值的大小;而哈勃常数包含了理论无法解释的宇宙的最初状态的信息。通过观测获得Ho的真实值是项非常复杂的任务。天文学家需要做两项测量。首先,用光谱观测获得星系的红移,给出它的速度,这一步相对直接。第二项测量是距离的测量,难度要大得多。
假设你在一个大的暗室中,屋中有一个灯泡放在距你未知远的地方。怎样确定距离呢?一种尝试是使用三角测量法。可以使用测量仪器如经纬仪,在屋中移动,从不同的位置测量到灯泡的角度,然后用三角法算出距离。另一种测量距离的方法是利用灯泡发出的光的性质。假设你知道灯泡的功率,比如说是100瓦。同时假设你有一个曝光表。用曝光表测量接收到的灯光的量,光强度随距离的平方递减,故可推出到灯泡的距离。但是如果预先不知道灯泡的功率,这种方法就不适用了。另一方面如果有两个相同瓦数但不知具体值的灯泡放在屋子里,就可以非常容易地知道它们的相对距离。例如如果一个灯泡在曝光表上产生的读数是另一个灯泡的读数的1/4,则距第一个灯泡的距离是距第二个灯泡的两倍。但你却仍然不知道任何一个灯泡距离你的绝对值。
将以上想法用到天文学中,则使确定宇宙的距离尺度的问题更加突出。三角测量法是困难的,因为移动与待测距离相对数量级的距离是不可行的,除非特殊情况(见下)。利用恒星或其他光源测量绝对距离也是困难的,除非我们能够找到一些方法获知它们本身的光度(或输出功率)。一个邻近的、光线微弱的恒星看上去与一个很远的非常亮的星相似,因为一般来说,功能最强的望远镜也无法分辨恒星的不同。但是如果我们知道两个恒星(或其他天体)是相同的,测量相对距离则并不很困难。这些相对距离测量的校正是银河系外距离测量的中心任务。
客观地看待这些困难,我们应该想到在20世纪20年代前对宇宙尺度只有一个大概认识。在哈勃发现漩涡星云(当时的称谓)是在银河外面之前,普遍认为宇宙实际上相当的校我们现在知道这些星云是与银河系类似的漩涡星系,往往被认为代表了类似太阳系等结构形成的早期阶段。当哈勃宣布发现了以其名字命名的定律时,他所得到的Ho的值大约是500公里/秒/百万秒差距(测量哈勃常数的常用单位)。这比现在估计的大出约8倍。哈勃在确认某类恒星为距离指示器时犯了个错误,当他的错误在20世纪50年代被巴德(Baade)改正后,哈勃常数值降到约250(单位与上面相同)。1958年桑德奇进一步将它修订为50和100之间,而且当前的观测估值仍在这个范围内。
现代的Ho测量使用一系列不同级别的距离指示器,级别逐级递增,从估测银河系内部恒星的距离为起点,直至测量最远距离的星系和星系团。但是基本思想仍然与哈勃和桑德奇提出的思想一致。
首先,我们利用局部运动学距离标准建立银河系的尺度。运动学方法不依赖一个天体的绝对光度的知识,类似于前面提到的三角测量方法。相对比较近的恒星的距离可以用恒星的三角视差来测量,即地球在空间中的运动造成的一年中恒星在天空中位置的变化。距离的天文单位——秒差距(pc),就来源于这种方法:当地球从太阳的一面移动到另一面时,1秒差距远的恒星将产生1角秒的视差。作为参考,1秒差距大约等于3光年。重要的天体测量卫星依巴古能测量银河系中几千颗恒星的视差。
另一类重要的距离指示器是变星,其中最重要的是造父变星。这类天体的变化暗含着它们本身的光度信息。经典的造父变星亮度比较高,其光变周期P与绝对光度L之间显示出非常紧密的关系。对远距离的造父变星P值的测量能估计出L,也就得出距离。这些星非常亮,所以在银河系外其他星系中的造父变星也可以被观测到,它们将距离测量扩展到大约4Mpc(4,000,000pc)。造父变星距离测量的误差源于星际吸收、银河系旋转、尤其是对造父变星和另一类叫做室女座W型变星的混淆,这些误差是引起哈勃最初的测量值Ho比较大的主要原因。其他的恒星距离指示器使得距离测量扩展到约10Mpc。以上这些方法总称第一级距离指示器。
第二级距离指示器包括HII区(炽热恒星周围的电离氢云区)和球状星团(由10万到千万数量的恒星组成的星团)。前者具有直径,后者具有绝对光度,这些天体平均值周围有较小的弥散。对这种相对指示器用第一级的方法进行校正,可将距离测量扩大到100Mpc。第三级距离指示器包括最亮的星系团和超新星。星系团可以包含多达约一千个星系。人们发现在一个富团中最亮的椭圆星系具有非常标准的总光度,可能是因为这类天体是以吞噬其他星系的特殊方式形成的。利用最亮的星系可以测量几百Mpc的距离。超新星是爆炸的恒星,可以产生大约相当于整个星系的光度。这些恒星因此很容易在遥远恒星中观测到。此外人们也探索了许多间接的距离估算方法,例如对星系的各种内禀性质之间关系的探讨。
测量Ho的技术似乎已经具备了。但为什么对Ho值仍知之甚少?问题是在距离测量的阶次中某一级的小误差也会以积累的方式影响高级别的测量。在每一级中会有许多修正:银河系的旋转效应、望远镜口径的不同、银河系中的吸收和视障,以及各种观测偏差。鉴于会有大量不确定的改正,为什么我们还不能得到精确的Ho值也就不足为怪了。从哈勃时代开始围绕距离的测量一直有着争论。但是随着最新技术的发展,我们似乎已经看到了结束这场争论的曙光。哈勃空间望远镜(HST)具有直接拍摄室女星系团各星系中恒星照片的能力,特别是能拍摄造父变星,这样就可以绕过在距离测量阶梯中传统测量方式的不确定性。HST在距离测量上的主要项目能够将哈勃常数的精确度定在10%左右。这个项目还未完成,但最新的Ho值估计应该在60到70公里/秒/百万秒差距的范围之间。