第二节 哈勃定律和宇宙的膨胀

著名美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）在从事天文工作的初期，就知道“星云”研究领域存在的难题。“星云”是天文学家几百年来用于表示与彗星不同，且在位置和外貌上不发生变化的暗弱云状天体的共同术语。是否某些星云就是像银河系这样的“宇宙岛”，这个问题一直未能得到解决。当哈勃于1919年来到威尔逊山天文台工作时，正赶上当时世界上最大的2.5m反射望远镜在该台建成并投入使用，他很快转入星云性质问题的观测和研究。哈勃依靠敏锐的观测技巧和无与伦比的望远镜功能，有力地证明了仙女座星云M31主要是由恒星组成的河外星系，迈出了人类认识星系世界的重大步骤。考虑到现在知道视星等在23等以内的星系总数就多达10亿以上，当初的这个重大步骤的确起了开拓性带头作用。

哈勃接着继续前进，测量了许多星系运动的速度和这些星系到观测点的距离。其中星系在视向方向上的运动，是通过测量星系光谱中发射线和吸收线的位移来计算的；当星系退行时，它的光谱线就向红端移动，由此便可得到取为正值的速度V。对于星系的距离D，哈勃首先根据造父变星的周光关系把较近星系M31和M33的距离确定下来，然后再根据视亮度的不同外推出更远星系的距离。哈勃关于星系的速度和距离关系的第一篇论文发表于1929年，该文在整个天文学界引起了轰动，其原因在于观测结果所含有的重大意义。

图6．1是哈勃首次发表的星系距离与速度关系图。该图虽有较大的弥散度，但速度与距离之间所存在的线性关系还是基本清楚的。这一关系在现代表示法中写作V＝HD，即遥远星系的退行速度正比于它的距离，其中H称为哈勃常数，整个关系就是著名的哈勃定律。在符合宇宙学原理（即宇宙在空间上是均匀的和各向同性的假设）的前提下，哈勃定律正是宇宙膨胀的必然结果。如图6．2所示，在时间1，地球上的观测者看到的星系2的距离是星系1距离的3倍；由于宇宙的膨胀，这两个星系随着时间的推移都会远离观测者而去，但它们与观测者之间的距离比例必须始终保持不变，以满足宇宙学原理的要求。即在时间2，星系2的相对距离为6，星系1的相对距离必须为2。这样，在从时间1到时间2的期间，星系2移动的距离就是星系1移动距离的3倍，地球上的观测者看到星系2的退行速度亦为星系1退行速度的3倍。即星系的距离愈远，退行的速度就愈大，这既是观测事实，也是宇宙均匀膨胀的必然结果。

应当指出，宇宙学原理是对宇宙物质大尺度分布情况所作的直觉判断。这一判断既得到历史上天文观测的支持：地球、

太阳、银河系都不是宇宙的中心，在宇宙大尺度上没有处于中心地位的特殊天体，一切星系层次以上的天体都是平权的；又比较符合现代天文观测事实，例如图6．3表示的星系的均匀分布情况就很明显。该图是 Michael Strauss使用美国国家宇航局的红外天文卫星资料绘制的，表明在3～10亿光年的距离范围内，星系的分布是相当均匀的，中心线附近的空白区是有关天空被银河遮蔽所致。

    根据宇宙学原理可以推知，在地球所处的银河系所看到的宇宙膨胀现象，也应当同样能在其它星系上看到。把星系想象成分布在一个正在胀大的气球表面上的众多“尘粒”即可再现上述现象。因为随着气球的膨胀，各个尘粒都是彼此退行的，无论在那个尘粒上看情况都一样。在这里只是气球在膨胀，而尘粒并不膨胀。同样，宇宙的膨胀只是星系所处的宇宙空间（在这里是比作气球的表面）在膨胀，而星系本身并不膨胀。应当注意的是，宇宙空间的膨胀是相对于宇宙背景整体的膨胀，必须在足够大的尺度上才能显露出来；而在较小的尺度上，星系的均匀分布情况可能变差（如图6．3所示），星系群之间引力相互作用不易消掉，进而导致有关星系附加上一个本动速度。这个本动速度如果在视向方向上有分量，就会使哈勃定律表示的关系偏离线性，这正是图6．1弥散度较大的一个重要原因，当然各星系距离的测量精度不高也可能是另一个重要原因。考虑到这些因素并加以克服以后，现代取得的哈勃定律线性关系就好多了。
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