哈勃定律的來源和研究

2020-12-06 萌萌說說說

大家好，歡迎收看我的百家號萌萌說說說，今天小編要給大家介紹的是哈勃定律的來源和研究。

哈勃定律

經過多年的星系觀測,埃德溫·哈勃和米爾頓·赫馬森推斷遙遠的星系正在遠離地球,且退行速度隨距離增加而變快。該發現叫做哈勃定律,它的核心含義是宇宙在膨脹,這一突破為現代宇宙學奠定了基礎。1917年,當阿爾伯特·愛因斯坦將廣義相對論應用到宇宙之後,他大失所望。他本以為宇宙是靜止不變的,但他的方程預測星系應該在彼此遠離。相對論告訴愛因斯坦宇宙在膨脹。而20世紀初的天文學家認為,整個宇宙都是固定不變的,按照這種宇宙觀,愛因斯坦的預測太離譜了。這回愛因斯坦一反常態,順從了主流觀點,認為肯定是自己的理論出了問題。為此,愛因斯坦引入了一個修正項—宇宙學常數,能改變遠距離引力的強度從而保持宇宙固定不變。

1929年,美國天文學家埃德溫·哈勃( Edwin Hubble向世人宣布,宇宙事實上就是在膨脹,這更讓愛因斯坦失望了。哈勃和助手米爾頓赫馬森( Milton humason)一直在美國加利福尼亞州的威爾遜山天文臺,使用2.5米的胡克望遠鏡(當時世界上最大的望遠鏡)研究星系。他們專門研究了星系發出的光的光譜,即將複合光分為不同頻率的單色光,並測定每種頻率對應的亮度。星系中的化學元素能夠發射和吸收特定頻率的光,因而研究星系的光譜能夠揭示星系中不同化學元素導致的峰谷圖譜。哈勃和赫馬森在為這些遙遠的星系測定光譜的時候,果然發現了預期的峰谷圖譜。這些峰谷圖譜也稱為譜線,對應鐵、鈉、矽等常見的化學元素。只是波峰和波谷沒有出現在他們預期的位置。圖譜是有,但是譜線總體向低頻率移動了。

兩人意識到這表明星系一定是在遠離我們。1842年,物理學家克裡斯琴·都卜勒( Christian Doppler)曾指出,聲源遠離觀測者時,觀測者聽到的聲音會向低頻率移動。這就是都卜勒效應,因此當救護車經過我們身邊時,其報警器發出的聲音會變得尖銳刺耳。同樣,哈勃和赫馬森發現,星系發出的光也因此會向低頻率偏移。由於低頻率光是紅光,所以我們就說星系的光發生了紅移。不同星系的紅移幅度跟它們的退行速度直接相關。但紅移有沒有模式呢?為了回答這個問題,哈勃和赫馬森需要測量星系的距離。他們利用造父變星完成了這一工作。造父變星是一類特殊的恆星,其亮度會在固定周期內呈現有規律的變化,變化周期根據恆星的特性從幾天到幾周不等。1912年,美國天文學家亨麗愛塔·勒維特( Henrietta leavitt)推測出,這個周期由恆星的平均本徵亮度(或曰光度)決定,這就是周光關係。

宇宙距離尺度

周光關係為天文學家提供了一種測量星系距離的方法。如果他們能在每個星系內找到一顆造父變星,並測定造父變星的光變周期,就能確定造父變星的本徵亮度。如果天文學家也測定了恆星的視亮度(我們看到的亮度),他們就能據此推算出光亮度隨距離減弱的程度,以及恆星及其所在星系與地球的距離。哈勃和赫馬森將這種方法應用到他們觀測的星系中,發現了一種數學關係:星系的紅移與距離成正比。由於紅移與星系移動的速度成正比,因此也就可以推出退行速度(v)與距離(d)成正比。哈勃將這種關係寫作:v=H。

這就是哈勃定律,其中H是個比例常數,稱為哈勃常數。如果的單位是kms,d的單位是Mpe(百萬秒差距,IMpc=326萬光年),哈勃物計算出H等於50 km/s/Mpc。根據太空探測器的測量結果,當前估算出H值更為準確一些,為70 km/s/Mpc。結果表明宇宙一直在膨脹。宇宙中的所有點都好像在遠離其他點,太空就像不斷膨脹的氣球星系如同球面上的點,隨著氣球膨脹,彼此漸行漸遠。兩個星系之間的距離越遠,它們遠離彼此的速度就越快。愛因斯坦在得知哈勃的發現後,公開宣布宇宙學常數是自己學術生涯中「最大的失誤」。不過,最近幾十年,宇宙學常數又有些復甦的跡象。

宇宙暴脹

目前很多宇宙學家都認為,極早期宇宙經歷了一段快速加速膨脹的時期,稱為宇宙暴脹( infation)。這種觀點巧妙地解決了標準大爆炸模型的許多問題。它解釋了形成星系的初始密度不規則性的來源,將其歸因於微觀的量子漲落,這些量子漲落因快速膨脹而變成天體物理尺度的結構,導致後來星系和恆星的形成。若大爆炸後不久發生了宇宙暴脹,那麼宇宙內一定充斥著一種和宇宙學常數作用類似的物質場。

不過,愛因斯坦的宇宙學常數是對抗宇宙膨脹,而推動宇宙暴脹的場則是極大地加速宇宙膨脹。近年的觀測顯示,一種類似的宇宙學常數至今仍然影響著宇宙。1998年,天文學家宣稱宇宙正在加速膨脹,只是沒有初期膨脹那麼快。引發加速膨脹的物質場稱為暗物質。直到2010年末,宇宙學家還不清楚暗物質到底是什麼。唯一可以肯定的是,如果愛因斯坦還活著,他肯定會被自己氣得發瘋。

相關焦點

  • 物理定律:哈勃定律
    哈勃定律原來由對正常星系觀測而得，現已應用到類星體或其他特殊星繫上。哈勃定律通常被用來推算遙遠星系的距離。1929年，E.P.哈勃發現河外星系視向退行速度v與距離d成正比，即距離越遠，視向速度越大。哈勃定律是物理宇宙論的陳述：來自遙遠星系光線的紅移與他們的距離成正比。這條定律是哈勃和米爾頓·修默生在接近十年的觀測之後，於1929年首先公式化的。
  • 著名的「哈勃定律」要被更名了?
    其辯論的主題是，是否要重新命名一個重要的物理學定律——哈勃定律。該定律是近100年來，天文學發展的一個重要裡程碑，也是現代宇宙學的基石之一。為了紀念另一位比利時天文學家喬治·勒梅特（Georges Lematre）所做出的貢獻，IAU大會成員提出了一項決議，將「哈勃定律」的名稱修改為「哈勃-勒梅特定律」。
  • 哈勃定律是宇宙膨脹學基石:更名引發學界爭議
    比利時天文學家喬治勒梅特比埃德溫哈勃早兩年提出宇宙膨脹的想法。圖片來源：Bettmann/《科學》來源：中國科學報哈勃定律是描述宇宙膨脹的宇宙學基石，在近日進行的國際天文學聯合會（IAU）成員投票後，該定律將被稱為哈勃—勒梅特定律。
  • 哈勃定律下的宇宙膨脹理論
    在大辯論的過後幾年，哈勃在仙女座大星雲中觀測到造父變星，測定了距離，發現比我們銀河系的邊界還要遠，從而為這次大辯論敲定了結果：渦狀星雲是類似銀河系的獨立星雲，而人們對宇宙大小的認識也因此得到解答。哈勃定律哈勃在當時是怎樣測量距離的？天文學上測量天體的距離有非常多種，較為基本的方法是三角測量法，不過對距離較遙遠的星體無法使用。
  • 檢驗哈勃定律正確性研究項目建議書
    因此，完全有必要通過適當的途徑來消除或證明此假設不符合客觀實際，從而證明哈勃定律正確或不正確。這樣就可以消除距離或視速度的影響後求得與距離、星光旅行時間和視速度有關的紅移分量，進而驗證哈勃定律的正確性。三、項目可行性分析通過測量已知距離和轉動速度的同一傾斜星系對稱部位上的天體紅移量就可以實現紅移量的分解，並得到與距離、旅行時間和視速度有關的紅移分量。目前一般天文臺均有能力完成這方面的數據採集工作。因此，本項目是完全可行的。
  • 最新研究:新方法完善了哈勃常數和宇宙年齡
    哈勃常數（Hubble's constant），指哈勃定律中的常數值。哈勃定律是關於物理宇宙論的陳述，該定律是哈勃和米爾頓·修默生在接近十年的觀測之後，於1929年首先公式化，被認為是在擴展宇宙空間範例上的第一個觀察依據。
  • 比起哈勃定律的名字 這個常數更讓科學家頭疼
    比起哈勃定律的名字 這個常數更讓科學家頭疼國際天文學聯合會第30屆大會近日閉幕，會上提出了一項提案：將著名的「哈勃定律」改稱為「哈勃-勒梅特定律」。國際天文學聯合會將根據後續的投票情況，確認其最終名稱。
  • 哈勃定律的提出,究竟經歷了幾代人的努力
    按照宇宙常數，膨脹率沒有下降，膨脹指數便會增加幾代人後，遠處似乎在遠離我們的天體的平均速度與天體和我們的距離成正比，這一法則因埃德溫·哈勃被稱為哈勃定律。直到今天，關聯視向速度與距離的常數也被稱為哈勃常數。但是從歷史的角度來看，埃德溫.哈勃並不是第一個發現這個規律的人。
  • 哈勃定律:星系的退行速度與它離我們的距離成正比
    1842年，奧地利物理學家都卜勒指出，如果光源和觀察者之間有相對運動，會使觀察者接收到的光源波長發生變化。如果光源離我們而去，我們接收到的波長變長，如果光源朝我們而來，我們接收到的波長變短，這種現象稱為都卜勒效應。對於可見光來說，波長變長，就是往紅光方向移動，所以光源離我們而去時叫做紅移。
  • 科普:從廣義相對論的場方程出發對哈勃定律的推導!
    但這不妨礙我們通過廣義相對，去驗證或者去推算一些已經存在了超過半個世紀的天文觀測結果，比如今天要討論的哈勃定律。當然，據說天文學會給她改名了，現在應該稱為哈勃-勒梅特定律，但是從最新的文章中讀到的還都是hubble law，所以還是簡單的稱之為哈勃定律，至少能省下不少的文字空間。
  • 康普頓效應是否定哈勃定律的有力武器
    哈勃定律是目前最流行的宇宙成因——宇宙大爆炸理論的基礎，但康普頓效應可能是否定哈勃定律的最有力武器。
  • 宇宙有多大哈勃定律是否能告訴我們答案
    接下來，他按照我前文闡述過的方法，計算出了兩個星雲離我們的距離都是約93萬光年（現在我們知道他還是大大低估了距離），這個距離比沙普利和柯蒂斯的銀河系直徑都大了不是一點點。因此，當哈勃的研究成果在國際天文界一公布，立即引起了巨大的反響。哈勃的工作讓天文學家至少達成了一個共識，那就是星雲不可能是銀河系中的發光氣體「雲」或者某一個單獨的天體，而是與銀河系一樣的由千億星辰構成的真正的「星系」。
  • 科學家從「哈勃定律」中找到答案
    現代研究認為，宇宙來自於137億年之前的一場爆炸，當時一個緻密炙熱的奇點出現，然後經過一系列反應後，快速的爆發並且一直不斷地膨脹，宇宙也因此產生。這個觀點在1927年的時候，由比利時天文學家勒梅特第一次提出，不過當時並沒有什麼理論依據，並沒有被其它天文學家接受。
  • 哈勃定律立功了
    當前天文學界的主流觀點認為，宇宙來源於138億年前的奇點大爆炸，隨著體積無限小、質量無限大的奇點爆發，在極短的時間內把各種物質全部釋放出來，形成了宇宙空間和組成宇宙的各種星體。上個世紀20年代，美國天文學家哈勃通過長時間的天文觀測，發現距離地球遠越遠的星系，其天體發出電磁輻射的可見光譜線，向紅端移動的幅度就會越大，由此提出了星系距離與紅移成正比的哈勃定律，從而證實了宇宙在逐漸膨脹的事實。
  • 哈勃常數的精確測量研究獲進展
    不同測量方法所給出的最新的哈勃常數測量結果。   自1929年埃德溫·哈勃提出星系的視向速度與到觀測者的距離之間呈現線性關係（即後來經典的哈勃定律）以來，對哈勃常數的測量始終是天文學研究中最重要的內容之一。哈勃常數，即哈勃關係中的斜率，從它的大小可以直接估算出宇宙的年齡。此外，哈勃常數的獨立精確測量，有助於更好地限定宇宙學常數。
  • 物理學教授:哈勃定律是一個強大工具
    我知道紅移決定了衰退速度，但我不明白它與距離的關係有一個簡單的答案和一個複雜的答案。簡單的答案是：人們已經知道，到一個星系的距離與它的後退速度成正比。這就是所謂的哈勃定律，20世紀20年代末，哈勃望遠鏡的觀測實現了對它的論證。
  • 哈勃常數危機
    熱大爆炸宇宙學很好地詮釋了宇宙的起源和演化。既然宇宙處在不斷膨脹的狀態，那麼宇宙的膨脹到底有多快呢？ 1929年，哈勃發現河外星系的退行速度與距離成比例(即距離越大視向速度也越大)，並給出速度-距離比，後來人們稱為哈勃定律。現在，哈勃常數(H)被用來表徵當今宇宙的膨脹率。
  • 您真正應該知道的10條科學定律和理論
    10.大爆炸理論根據埃德溫·哈勃（Edwin Hubble），喬治·勒邁特（Georges Lemaitre）和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等人的研究，大爆炸理論是假設宇宙開始於140億年前發生了一次大爆炸。當時，宇宙被限制在一個單一的點上，涵蓋了宇宙的所有物質。
  • 十大重要的科學定律和理論
    這個世界很神奇，這個宇宙更是神奇，有很多奧秘需要我們去發現，小編今天為大家盤點了人類十大重要的科學定律和理論，讓我們一起來漲漲知識吧！這條理論的基礎架構在埃德溫·哈勃、喬治斯·勒梅特、阿爾伯特·愛因斯坦以及許多其他人士的研究之上，該理論說白了，就是假設宇宙開始於幾乎140億年前的一次重量級的爆炸。當時的宇宙局限於一個奇點，包含了宇宙中的所有物質，宇宙原始的運動：保持向外擴張，在今天仍在進行著。　　大爆炸理論能得到如此廣泛的支持，離不開阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜的功勞。
  • 哈勃望遠鏡30年遙望深空,高光時刻之精確「哈勃常數」
    實際上人類渴望星空，在我國古代就有專門來研究星空的「職業」，當然那個時代只要是通過肉眼觀星。但是隨著發展放大鏡出現了，最後望遠鏡也出現了。大約在400年前，伽利略對普通望遠鏡進行了改造，放大倍數達到8倍。伽利略第一次把望遠鏡指向星空，那也是人類「人類太空之夢」開始的時刻。