100年前，哈勃的一篇论文开启现代宇宙学

100年前，哈勃的发现提供了有力证据表明：银河系并非宇宙中唯一的星系，而只是无数个“岛宇宙”中的一个。这让人们意识到，宇宙远比想象得更加浩瀚无垠。

图源：T.A.RECTOR (NRAO/AUI/NSF AND NOIRLAB/NSF/AURA) AND M.HANNA (NOIRLAB/NSF/AURA)

银河系之外

1925年，哈勃（Edwin Hubble）发表了一篇里程碑式的论文，报告称他在一个形状不规则的天体NGC 6822（巴纳德星系）中发现了11颗造父变星——这是一类会发生径向脉动、亮度随时间周期性变化的恒星。

欧几里得空间望远镜“眼中”的不规则星系NCG 6822。（图/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA）

这篇论文的最重要影响之一，就是解决了关于“星云”本质的争论：1920年，沙普利（Harlow Shapley）认为，星云只是银河系内部的气体云结构，并且银河系本身的尺度已经非常巨大。与之相对，柯蒂斯（Heber Curtis）则主张，星云其实是与银河系相似、但距离地球遥远得多的独立“岛宇宙”。

哈勃的发现提供了有力证据表明：银河系并非宇宙中唯一的星系，而只是无数个“岛宇宙”中的一个。这让人们意识到，宇宙远比想象得更加浩瀚无垠。

这一里程碑式的发现开启了现代宇宙学这一研究领域。自此，天文学家可以通过造父变星来测量地球到银河系之外的天体的距离，即所谓的“河外距离”。

丈量河外距离

哈勃的发现实际上是建立在勒维特（Henrietta Leavitt）的工作上。

1912年，勒维特发现，造父变星的脉动周期与光度之间存在一条明确的定量关系。通过测量造父变星的脉动周期，人们就可以根据这一关系推算出其内禀亮度，这一规律后来被称为“勒维特定律”。

1923年，哈勃在仙女星系中发现了造父变星V1，他运用勒维特定律计算出了仙女星系远远超出了银河系的大小。但是正式论文是在1929年才发表的。图中显示的是造父变星V1的现代观测。

根据平方反比定律，恒星的视亮度会随距离增加而减弱：如果距离增加一倍，视亮度便会降低为原来的四分之一。因此，只需比较恒星的内禀亮度与它在地球上呈现出的视亮度，就可以直接计算出这颗造父变星的距离。

最终，通过分析50多张由威尔逊山天文台的胡克望远镜在不同夜晚拍摄的NGC 6822底片，哈勃在其中识别出11颗造父变星，并利用勒维特定律计算出NGC 6822的距离约为214kpc（千秒差距；1kpc ≈ 3260光年）——这一距离是沙普利此前给出的银河系直径估计值（约100kpc）的两倍。

由此，哈勃才得以用观测证据表明：NGC 6822是一个独立的恒星系统，而非银河系内部的一团气体云。哈勃在论文中写道：“NGC 6822是第一个被明确、无可置疑地判定为位于银河系之外区域的天体。”

哈勃定律的建立

在研究NGC 6822的同时，哈勃也在仙女星系（M31）与三角星系（M33）中同步搜寻造父变星。对这三个星系的造父变星距离所作的直接测量，被他纳入1929年的论文之中，并作为建立星系“速度和距离关系”的关键数据点。

在论文中，哈勃绘制了星系的速度和距离的关系图，结果显示二者呈现出了线性的关系：距离我们越远的星系，远离我们的速度越快。

星系速度和距离的关系图：图中的点代表了银河系之外的星系，纵轴代表了星系远离地球的速度，横轴表示了星系的距离。

这一发现为宇宙正在膨胀提供了观测证据，并由此引出了“哈勃常数”——即速度-距离线性关系的斜率，用来描述宇宙的膨胀速率。

1927年，勒梅特（Georges Lemai?tre）发现：宇宙并非静态的，它会膨胀或收缩。他甚至已经推导出了哈勃定律，但由于他发表的论文是用法文撰写的，所以当时并没有得到关注。今天，为了突出勒梅特的贡献，天文学界已经把“哈勃定律”更名为“哈勃-勒梅特定律”。

哈勃常数争议

根据哈勃的最初估算，哈勃常数的值约为500km/s/Mpc（1Mpc，即“百万秒差距”，约等于326万光年）。但随着观测手段的改进，得到的哈勃常数也越来越精确。

今天，天文学家会通过宇宙距离阶梯来估算天体的距离：首先，天文学家需要通过视差法来计算银河系中造父变星的距离。然后，天文学家会在那些包含Ia型超新星的邻近星系中寻找造父变星，将这些造父变星的亮度与银河系中的造父变星的亮度进行比较，进而估算出邻近星系的距离。最后，在那些遥远星系中寻找Ia型超新星，并将它们的亮度与邻近星系中的进行比较，进而测得遥远星系的距离。通过构建这样一个强大距离阶梯，就可以计算哈勃常数的值。（图/NASA, ESA, A. Feild, and A. Riess）

在上个世纪七八十年代，天文学家曾在两个差异巨大的数值之间激烈争论：50与100km/s/Mpc。这一争论后来由“哈勃空间望远镜关键项目”基本厘清。这一项目将造父变星的测距范围扩展到接近20Mpc。它还采用了若干其他的“次级”测距方法，将宇宙距离阶梯——这一从近邻天体出发、逐级向外延伸的测量体系——扩展到了大约400Mpc的尺度。最终得出的哈勃常数为72km/s/Mpc，精度约为10%。

从2012年的WMAP卫星，到2018年的Planck探测器，对宇宙微波背景的测量越来越精细，从而给出了愈发精确的哈勃常数估计值。（图/ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team）

宇宙距离阶梯是测量哈勃常数的一种最经典的方法，但不是唯一的方法。另一种同样精确的方法，是通过测量宇宙微波背景（大爆炸遗留的辐射）的温度与偏振中极其微弱的涨落，并用由暗能量与暗物质主导的标准宇宙模型对这些涨落进行拟合，就能得到不确定性小于1%的高精度哈勃常数。由此得到的数值约为67km/s/Mpc，明显小于近几十年基于造父变星及其他恒星距离标尺所得到的结果（约69~74km/s/Mpc，不确定性约1%~3%）。

迄今为止，没有人知道暗物质和暗能量的本质是什么？今年，赵公博领衔的国际科研团队基于“暗能量光谱仪（DESI）”项目的相关数据，发现了暗能量有可能并非此前认为的是恒定不变的。（图/DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor）

这两种方法被认为同样精确，但却给出了不一致的结果，使哈勃常数成为了宇宙学中最重大的谜题之一。这种差异是由两种不同测量方法之间的测量误差所导致的吗？还是说我们需要“新物理”才能够解释这种差异？未来，新一代的望远镜和引力波探测器，将进一步提升测量精度，从而有望解开这个谜题。

在不确定中前行

哈勃在1925年发表的关于NGC 6822距离的论文，改变了天文学的发展方向，也极大地拓展了人类对宇宙尺度的认识。一个世纪后的今天，人类虽然已构建起精密的宇宙距离阶梯，却仍在哈勃常数的争议中直面新的不确定性。这提醒我们，宇宙学的进步并非沿着一条通向终点的直线前行，而是在不断测量、修正与反思中，逐步逼近对宇宙真实面貌的理解。