星系的紅移和距離之間的關係

【作者：黃姤】

雖然造父變星的辦法可以在測量天體距離的領域裡發揮重要的作用，但是它的適用範圍畢竟是有限的，對於那些最遙遠的星系需要用一種更加有效的辦法去測量它們的遠近，而這個辦法就是——「紅移法」或者叫做「星系譜線紅移法」。

「哈勃定律」——星系的紅移和距離之間的關係

「哈勃」是一位時代的巨人，他在天文學裡面佔據了舉足輕重的地位，因為他首先確認了「河外星系」的存在，開創了星系天文學這個新的方向，更重要的哈勃還發現了星系的紅移和距離之間的關係，這個關係稱為「哈勃定律」，在天文學研究裡面，很少以一個人的名字來命名某一個定律的，哈勃定律就是裡面為數極少的一個範例，哈勃定律的應用直接開創了觀測宇宙學。

哈勃在星系研究裡面取得了非常多的成果，其中有一項叫做「星系的分類」，因為在研究星系的過程裡面，人們發現星系的形態紛繁複雜，哈勃對它們進行了形態上的甄別把它們歸成了不同的類別，稱為叫做「哈勃音叉圖」或者叫做「哈勃星系分類圖」，在音叉的柄上面分布的是「橢圓星系」，在音叉的兩端分別是「旋渦星系」和「棒旋星系」，所以哈勃就利用這種形象的分類法把星系分成了「橢圓星系」、「旋渦星系」以及「棒旋星系」這幾個不同的類別。

圖解：星系分類

哈勃的貢獻遠不止此，上述提到他最重大的貢獻是發現了「哈勃定律」，1929年他表了一篇文章，這篇文章非常短只有6頁，但這篇文章在觀測宇宙學裡面起了開創性的貢獻，論文所展示的最重大的成果就在一張圖上面，圖的橫坐是星系的距離，圖的縱坐標是星系遠離退行的速度，根據這些觀測的數據點哈勃發現它們兩者之間的遵循一個正比例的關係，於是就用了一個公式「V=HD」，速度等於常數乘以距離，這個常數用H來表示也就是哈勃名字的首字母稱為叫「哈勃常數」，其實哈勃最初得到哈勃定律的時候，他所估計的哈勃常數大小遠遠超過我們今天現代精確測量的值，從公式本身來講哈勃定律最初的結果其實是錯誤的，但是它所反映的物理的事實是對的，哈勃定律說明離我們越遠的星系它向後退行的速度就越快。

哈勃定律是現代大爆炸宇宙學的根基

實際上在得到哈勃定律的過程裡面，也有不少的天文學家起了關鍵性的作用，這些天文學家都是巨人陰影下的英雄，今天主要介紹2位英雄：

• 第1位「斯裡弗」

斯裡弗在星雲光譜研究領域起了開創性的作用，其它人的貢獻無法與他相作比擬，其實哈勃定律裡得到的星系的距離和退行速度，這個退行速度實際上主要來自於斯裡弗的觀測結果，而斯裡弗的觀測發現有很多星系光譜裡面的吸收線與在實驗室裡面得到的相同元素的譜線位置並不完全吻合，它們不同程度都向紅端也就是向更加長的波段發生了偏移，根據「都卜勒效應」就反映了星系在遠離我們，遠離的速度就反映了譜線位移的程度，因此斯裡弗實際上是第1次得到了或者說系統性地得到了星系譜線位移這樣一個事實。

而其實斯裡弗的貢獻還不僅限於這些，他還首次發現了星系的轉動，因為星系整體在遠離我們，如果去觀察星系裡面的細節會發現它不同的位置遠離我們的速度是不一樣的，其實這反映了星系本身的在轉動，所以得到的速度是星系退行速度和它轉動速度的綜合，他甚至還得到了一個更加有用的結論，就是他發現了銀河系的「本動」。相當於一個天體和它周圍的一批鄰居作為一個小集體，在這個集體裡面它自身所產生的運動。

舉例說明：

在高速公路上你開著一輛車在行駛，在你周圍也有其他的汽車，如果你開的車和其他的汽車保持一樣速度的話，那麼這個時候你看到你前後左右的車和你的距離是不變的，如果你的汽車的速度比其他車的速度更快的話，那麼這個時候你會看到你前方的車離你越來越近，而後方的車離你越來越遠，這個速度就稱為「本動」。

斯裡弗在研究不同方向星系的譜線位移，發現星系退行的方向其實是有一定的選擇性的，這個選擇性它真實的物理原因實際上是由銀河系的運動是造成的，如果銀河系在運動的話，就說明銀河系其實並不是宇宙的中心，銀河系也只是一個普通的星系，這個觀點比哈勃發現河外星系早了8年，但是非常可惜的是斯裡弗這些貢獻並沒有被世人普遍承認。

• 第2位「赫馬森」

這是一個非常有傳奇性的天文學家，他是一位輟學的天文學家，在他14歲的時候他去參觀了威爾遜天文臺，從此他就愛上了這個地方，他就不再讀書了到天文臺去做運送建築天文臺器材的騾夫，另外還做天文臺的看門人，後來他逐漸地成為了天文臺的觀測助理，赫馬森這個人有個特點就是心靈手巧，所以他很快就成為威爾遜天文臺首屈一指的觀測天文學家，哈勃後來做更大範圍的譜線紅移測量的時候主要依靠的助手就是赫馬森，因此在某種程度上赫馬森甚至比哈勃做出了更多的貢獻。

赫馬森通過觀測更多精確的測量所得到的哈勃關係圖，這個時候星系的分布與哈勃關係就非常吻合了，比哈勃當初得到的粗略結果要精確很多，他的觀測結果確立了哈勃定律的有效性。

哈勃定律與宇宙膨脹理論的關係

哈勃定律所描述的是星系退行速度的大小和星系距離之間的關係，那麼哈勃定律是不是真的反映星系在遠離我們呢？是什麼造成了星系的退行？

天文學家相信哈勃定律其實跟我們整個的宇宙的結構有非常密切的關聯，首先可以利用哈勃定律去度量星繫到底離我們多遠，只要對某一個星系測量了它譜線的紅移量，就可以用哈勃定律去把距離測定出來，我們今天得到宇宙裡面的星系分布或者說宇宙裡面的大尺度結構，主要依賴於星系紅移的測量，知道了距離就可以研究星系在宇宙裡面時間上的演化。

一般來講天文學現在相信造成星系退行的原因並不是星系真實的運動，它其實是由於宇宙的膨脹所造成的，從斯裡弗的時代人們就已經認識到我們測量到的絕大部分星系它們都在退行，如果這種現象是由於星系本身運動造成的話，應該會發現至少一半左右的星系在向著我們運動，大約另外一半的星系在背離我們運動，但是我們現在看到除了近鄰的幾個星系之外，絕大部分星系都在遠離我們，所以唯一可能的解釋就是由於宇宙膨脹而造成的。

舉例說明：

我們去吹一個氣球，氣球上的花點會隨著氣球的膨脹而相互遠離，花點之間的距離會變得越來越遠，但其實那些花點並沒有發生真實的運動，它是由於參考系的變化而發生變化。

膨脹宇宙這個觀點對於人們的宇宙觀產生了非常大的衝擊，因為在那以前人們都認為宇宙應該是永恆不變的，包括像牛頓、愛因斯坦這些偉大的科學家都承認這一點，但是膨脹宇宙的發現就徹底地否定了這樣的觀點，愛因斯坦在引力場方程應用到研究宇宙結構演化的時候，為了保證這個宇宙是一個靜態的、不變的，他人為地加入了一個稱為宇宙學常數這樣一個物理量，但是他知道宇宙膨脹這個事實之後就非常後悔，他認為引入宇宙學常數是他一生中所犯的一個最大的錯誤，後來宇宙學常數又有了新的物理含義。

既然宇宙現在在膨脹，如果讓時間倒流回溯到過去的時刻，宇宙必定曾經處於一個非常小的物理狀態，宇宙應該有一個起點，時間也一樣會有一個起點。

可能有人對這個推論會有些懷疑，如果宇宙是一個氣球的話，這個氣球目前很大，如果讓氣球回歸到很小的一個狀態，那個時候宇宙可能會變得非常熱，可能在內部會有非常大的壓強會抵抗它收縮這樣一個趨勢，但事實上並不完全是這樣子的，儘管宇宙在過去曾經非常熱，但實際上熱或者是能量，本身也意味著質量，而質量又意味著引力，所以引力在宇宙的過去曾經佔據了主導地位，所以宇宙起源於一個奇點是大部分天文學家的一個共識，這就是所謂的現代大爆炸宇宙學。

（黃姤）結語：哥白尼革命

哈勃定律的發現，對於人們的宇宙觀的改變起了非常重大的促進作用，正如著名的宇宙學家惠特羅所說：「猶如400年前的哥白尼革命，哈勃已經重大地改變了人類對宇宙的觀念。」

天文學家一代一代經過自己的努力，對宇宙有了更加深入的見解，哈勃定律反映了整個宇宙在膨脹，說明宇宙是處於一個變化的狀態的。

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