100年前，哈勃的一篇论文开启现代宇宙学赛先生

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)

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 Lemaître）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。