哈勃定律 - 图文

哈勃定律 哈勃定律 哈勃定律：速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得，现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。 简介 1929年，E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比，即距离越远，视向速度越大。 哈勃定律是物理宇宙论的陈述：来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈柏和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后，于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据，和今天经常被援引作为支持大霹雳的一个重要证据。这个常数的最佳数值是在2003年使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测得的，数值为71 ± 4 km s-1 Mpc-1。在2006年的资料，图中对应的是77 km s-1 Mpc-1。 在宇宙学研究中，哈柏定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈柏定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈柏定律原来由对正常星系观测而得，现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈柏定律通常被用来推算遥远星系的距离。 定义 V=HOD 河外星系的视向退行速度与距离成正比，即距离越远，视向速度越大。这个速度——距离关系在1929年由美国天文学家哈勃发现，称为哈勃定律或哈勃效应。在宇宙学研究中，哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得，现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。 编辑本段发现 自河外星系本质之谜被揭开之后，人类对宇宙的认识从银河系扩展到了广袤的星系世界，一些天文学家开始把注意力转向星系。从1920年代后期起，哈勃本人更是利用当时世界上最大的威尔逊山天文台2.5米口径的望远镜，全力从事星系的实测和研究工作，其中包括测定星系的视向速度，以及估计星系的距离，前者需要对星系进行光谱观测，后者则必须找到合适的、能用于测定星系距离的标距天体或标距关系。哈勃开展上述两项工作的目的，是试图探求星系视向速度与距离之间是否存在某种关系。 宇宙中所有天体都在运动，天文学上把天体空间运动速度在观测者视线方向上的分量称为天体的视向速度。视向速度测定的基础是物理学上的多普勒效应，它由奥地利物理学家多普勒（J.C.Doppler）于1842年首先发现。该效应指出，运动中声源发出的声音（如高速运动中火车的汽笛声），在静止观测者听来是变化的。若以c表示声速，v为声源的运动速度，则静止观测者实际听到的运动中声源所发出声音的波长λ，与声源静止时声音波长λ０之间的关系符合数学表达式（λ-λ０）/λ０＝v/c，称为多普勒效应。因为声速c和静止波长λ０是已知的，λ可通过实测加以确定，所以可以利用多普勒效应测出声源的运动速度v。声源的运动速度越高，声波波长的变化越显著。 光是一种电磁波，如果把多普勒效应同样应用于天体光线的传播上，公式中的c就是光速，v就是天体的视向速度。以恒星为例，通常在恒星光谱中会有一些吸收谱线，这是恒星表面发出的光辐射被恒星大气中各种元素吸收所造成的，且特定的元素严格对应着特定波长的若干条吸收线。只要把实测恒星光谱中某种元素的吸收谱线位置（即运动光源的波长λ），与实验室中同种元素的标准谱线位置（即静止波长λ０）加以比较，就可以发现两者之间会产生一定的位移Δλ＝λ-λ０，即多普勒位移。λ０是已知的，而Δλ又可以通过观测得到，所以通过多普勒效应即可推算出恒星的视向速度v，这就是确定天体视向速度的基本原理。据此，英国天文学家哈金斯（W. Huggins）在1868年首次测得天狼星的视向速度为46公里/秒，且正在远离地球而去。 哈勃开展的这项观测研究是非常细致又极为枯燥的，他在相当长的一段时间内投入了自己的全部精力。与现代设备相比，1920年代观测条件很简陋，2.5米口径望远镜不仅操纵起来颇为费力，而且不时会出现故障。星系是非常暗的光源，为了拍摄到它们的光谱，在当时往往需要曝光达几十分钟乃至数小时之久，其间还必须保持对目标星系跟踪的准确性。为获取尽可能清晰的星系光谱，哈勃甚至迫不得已用自己的肩膀顶起巨大的镜筒。人们调侃地形容说“冻僵了的哈勃”就“像猴子般地”成夜待在望远镜的五楼观测室内，“脸被暗红色的灯光照得像个丑八怪”，由此足见这位天文学大师严谨的科学态度和顽强拼搏的科学精神。

功夫不负有心人，经过几年的努力工作，到1929年哈勃获得了40多个星系的光谱，结果发现这些光谱都表现出普遍性的谱线红移。如果这是缘于星系视向运动而引起的多普勒位移，则说明所有的样本星系都在做远离地球的运动，且速度很大。这与银河系中恒星的运动情况截然不同：银河系的恒星光谱既有红移，也有蓝移，表明有的恒星在靠近地球，有的在远离地球。不仅如此，由位移值所反映出的星系运动速度远远大于恒星，前者可高达每秒数百、上千公里，甚至更大，而后者通常仅为每秒几公里或数十公里。

在设法合理地估计了星系的距离之后，哈勃惊讶地发现，样本中距离地球越远的星系，其谱线红移越大，且星系的视向退行速度与星系的距离之间可表述为简单的正比例函数关系：v=H0r，（v表示星系的视向速度，星系的距离为r）这就是著名的哈勃定律，式中的比例系数H0称为哈勃常数。

哈勃于1929年3月发表了他的首次研究结果，尽管取得了46个星系视向速度资料，但其中仅有24个确定了距离，且样本星系的视向速度最高不超过1200公里/秒。实际上当时哈勃所导出的星系的速度－距离关系并不十分明晰，个别星系对关系式v=H0r的弥散比较大。后来他与另一位天文学家赫马森（M.L.Humason）合作，又获得了50个星系的光谱观测资料，其中最大的视向速度已接近2万公里/秒。在他们两人于1931年根据新资料所发表的论文中，星系的速度－距离关系得到进一步确认，且更为清晰。1948年，他们测得长蛇星系团的退行速度已高达6万公里/秒，而速度－距离关系依然成立。今天，哈勃定律已被众多的观测事实所证实，并为天文学家所公认，而且在宇宙学研究中起着特别重要的作用。

有意思的是，哈勃这位举世公认的星系天文学创始人始终不愿接受术语“星系”，他在自己的论文和报告中一直坚持用“河外星云”来称呼河外星系。因此，美国历史学家克里斯琴森（G.E.Christianson）亲昵地把哈勃称为“星云世界的水手”，并以此作为书名，用35万余字（中译本字数）的篇幅详细记述了哈勃的科学生涯，特别是他在星系世界中长年的辛勤劳作和做出的不朽业绩。

常数测量

在二十世纪后半，哈勃常数H0的值被估计约在50至90(km/s)/Mpc之间。

哈勃常数的值曾是个长久而激烈的争议主题，Gérard de Vaucouleurs主张其值应为80而Allan Sandage则认为其应为40。1996年，由

JohnBahcall主持，包含Gustav Tammann及Sidney van den Bergh的辩论以类似早期Shapley-Curtisdebate的模式举行，主题针对上述两个竞争数值。1990年代晚期，引进宇宙的λ-CDM模型，数值差异的问题被部分地解决。在此模型下，利用苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应进行的X光高红移群及微波波长的观察、宇宙微波背景辐射各向异性的量度和光学调查皆测定哈柏常数的值为70左右。特别的是，Hubble Key Project（由Wendy L.Freedman博士主导，在卡内基天文台进行）进行最精确的光学测量，在2001年五月发表其最终估计值为72±8(km/s)/Mpc，此结果与基于苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应进行的银河系星群观测所测出的H0相当一致，具有相似的精确值。在2003年，利用WMAP所得出最高精度的宇宙微波背景辐射测定值为71±4 (km/s)/Mpc，而直到2006年，皆以70 (km/s)/Mpc,+2.4/-3.2作为测定值。因为1秒差距接近米，故在公制单位中H0的值约为(m/s)/m（Hertz）。从上述三种方法得出一致的测定值提供了H0测定值与λ-CDM模型有力的支持。

q的值被以Ia型超新星所制定的标准烛光观察标准所测量。该标准定于1998年，其值被定为负值。此举使许多天文学家感到惊讶，因为这暗示著宇宙膨胀正在“加速”（虽然哈柏因子随时间而递减；详见暗物质及λ-CDM模型）。

在2006年八月，利用美国国家航空航天局（NASA）的Chandra X光天文台（Chandra X-ray Observatory），来自NASA Marshall Space

FlightCenter（MSFC）的研究小组观测得出哈柏常数的值为77公里每秒每百万秒差距（77km/sMpc；1百万秒差距等于3.26百万光年），不准量约15%。

2009.5.7，美国宇航局NASA发布最新的Hubble常数测定值，根据对遥远星系Ia超新星的最新测量结果，常数被确定为(74.2±

3.6)km/(s*Mpc)，不确定度进一步缩小到5%以内。

历史

早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒Doppler)红移，表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。 1929年哈勃(EdwinHubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个

有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系v = H0×d 其中v为退行速度，d为星系距离，H0为比例常数，称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律。 哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。 公式

哈勃定律 ( Hubble's law )：Vf = Hc x D

参数说明：

Vf：Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位：km / s Hc：Hubble's Constant 哈柏常数 单位：km / (s．Mpc) D：Distance 相对地球的距离 单位：Mpc 百万秒差距

编辑本段关系

哈勃在导出他的著名定律的过程中，必须取得同一目标星系的两个基本观测量，即星系的视向速度v和距离r，并由此确定哈勃常数H0=v/r。视向速度可以通过测量星系光谱中谱线的多普勒位移来确定，较为简单。问题的关键是如何测得星系的距离。因为星系的距离极为遥远，三角视差法对此“鞭长莫及”，所以必须另辟蹊径。天文学家已找到了多种测定遥远天体距离的方法，其中以光度测距法的应用最为广泛。

对于一个光源（如恒星或星系）来说，其实际发光本领称为光源的光度，这是光源自身的内禀性质。而观测者所看到的光源的明暗程度称为亮度，它是光源的观测特征。设一颗恒星（或其他天体）的光度为L，亮度为B，距离为r，那么只要选取恰当的单位便有B=Lr-2。天文学中常用绝对星等M来表征光度，用视星等m表征亮度，相应的关系式为m-M=5lgr-5。m是观测量，只要设法确定恒星的M，便可以导出它的距离r，这就是光度测距法的基本原理，所得出的距离称为光度距离。

那么，如何确定天体的绝对星等（即光度）呢？又有两条不同的途径。一是设法确定某类恒星所具有的恒定的、或者变化不大的绝对星等M，因此

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