星系的红移

1912年以来斯立弗发现旋涡星云有巨大的视向速度。到1925年，已经得到总共45个星云的视向速度，它们中的大部分由斯立弗测定。而其中的少部分在其他天文台得到检验，斯立弗测量的可靠性得到了公认。

最大的视向速度超过了每秒1 000公里，意味着这些星系是银河系引力控制之外的独立物体，与哈勃新近展示的岛宇宙理论相容。从1925年起，哈勃在100英寸反射镜上为“旋涡星云的退行速度和它们的距离的关系”问题投入了大量的观测时间，在他生命最后数年又用200英寸反射镜观测。在那些年里，对这些天体的看法的改变反映在对它们的叫法上：“旋涡星云”变成了“河外星云”，最后是现代叫法“河外星系”。

哈勃跟他的同事休马森（Milton Humason，1891－1972）一起工作。休马森将他的观测技巧集中在更远（和更暗）星系视向速度的测定上，哈勃设计出根据照相底片上像的亮度来确定真实距离的方法。但是即使是用100英寸反射镜，只有最近那些星系中的造父变星才能被探测到。哈勃在那些刚刚能够看见造父变星的星系里，识别那些最亮的单个恒星，它们一般比造父变星亮50到100倍，然后在更远的星系中，用这些同一光谱型的亮恒星作为标准天体。显然，微小的误差很容易积累。

到1929年，哈勃已获得24个星系的视向速度和独立的距离测定，他发表了一幅速度作为距离函数的图，显示每一百万秒差距（即1 Mpc）退行速度增加每秒500公里。哈勃第一次估算给出的这个量，后来叫做哈勃常数，这是宇宙学基本常数之一。而“星系退行速度（v）正比于它的距离（d）”被叫做哈勃定律，或红移定律。用公式表示为：v＝H·d，H为哈勃常数，哈勃1929年发表的此常数为500 km/s/Mpc。

图10.10　哈勃定律

与红移观测大致同时，爱因斯坦从他的引力场方程解算出宇宙在膨胀。为了获得一个稳定的宇宙，爱因斯坦在他的方程中人为地加了一个“宇宙项”，作为抵抗引力的宇宙斥力，从而得到了一个静态宇宙模型。当爱因斯坦知道了哈勃定律之后，承认“宇宙项”是他一生最大的错误。

顺着宇宙膨胀的思路，当时间倒退，星系就相互靠近，在早先某个时候宇宙必定曾经极度稠密。从那时到现在这段时间可以叫做“宇宙的年龄”，宇宙年龄就是哈勃常数的倒数——哈勃常数越大，宇宙越年轻。

这在20世纪40年代产生了一些问题：从哈勃常数算出的宇宙年龄为18亿年，小于公认的地质学家所要求的地球年龄。巴德对造父变星定标的修正把哈勃常数缩小了约一半，变为260 km/s/Mpc。1958年当哈勃的学生桑德奇（Allan Sandage，1926－ ）表明哈勃原来以为的星系中最亮的单星事实上是一些嵌入气态星云的高光度星集，哈勃常数进一步向下修订到约为75 km/s/Mpc。这两次哈勃常数的修正都减轻了宇宙年龄与地质年代尺度的冲突。2010年NASA综合了最新的几种观测数据，给出哈勃常数推荐值为70.8±1.6 km/s/Mpc，对应的宇宙年龄约为138亿年。

图10.11　历年来发表的哈勃常数值变化趋势^[2]

【注释】

[1]R.J.Trumpler，Preliminary results on the distances，dimensions and space distribution of open star clusters.Lick Obs.Bull.Vol XIV，No.420（1930）：154－188.

[2]引用自https://www.cfa.harvard.edu/～huchra/hubble/。