亚洲国产区中文,国产精品91高清,亚洲精品中文字幕久久久久,亚洲欧美另类久久久精品能播放

發(fā)現(xiàn)

在哈勃做出他的觀測之前10年，許多物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家利用愛因斯坦廣義相對論的場方程建立了時間和空間協(xié)調(diào)一致的理論。將最一般的原則應(yīng)用到自然的宇宙，產(chǎn)生了一個動態(tài)的解決方案，與當(dāng)時的靜態(tài)宇宙的概念產(chǎn)生了沖突。

說明

因發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離速度與距離呈線性關(guān)系，而產(chǎn)生哈勃定律，其線性數(shù)學(xué)式如后：

其中 v {\displaystyle v} 是由紅移現(xiàn)象測得的遠(yuǎn)離速率，一般表示為km/s。 H 0 是哈勃常數(shù)，在弗里德曼方程中對應(yīng)著數(shù)值 H {\displaystyle H} （通常稱為哈勃參數(shù)，是一個取決于時間的值，由時間的觀測得來，以下標(biāo) 0 來區(qū)別。）此常數(shù)在宇宙中對任意保角時間（conformal time）而言皆是相同的。 D {\displaystyle D} 是光相對于觀測者的慣性坐標(biāo)系穿越星系的適當(dāng)距離，以百萬秒差距（Mpc）作為測量單位。

對于相對鄰近的星系，速度 v 可從星系的紅移 z 利用紅移公式 v = z c {\displaystyle v=zc} 估計，其中 c 是光速。對遙遠(yuǎn)的星系，速度 v 可以從紅移 z 利用相對移動的多普勒效應(yīng)決定。然而，最好的方法來計算遠(yuǎn)離速度及其相關(guān)時空膨脹率是考慮來自遠(yuǎn)星系光子的相關(guān)保角時間。對于非常遙遠(yuǎn)的星體，退離速度可能大于光速。但是這并不違反狹義相對論，因為度量空間的擴張并不與任何有形物體的速度相關(guān)。

當(dāng)使用哈勃定律來決定距離時，只能用因宇宙膨脹而造成的速度。引力相互作用星系的運行與彼此相關(guān)，而獨立于宇宙膨脹之外。因其相對運行所造成的這類相對速度，被稱作本動速度（ peculiar velocities ）。當(dāng)使用哈勃定律時， 本動速度 需要加入考慮。1938年，Benjamin Kenneally所發(fā)現(xiàn)的“上帝的手指”效應(yīng)（Fingers of God）是本動速度所造成的現(xiàn)象之一。受引力約束的系統(tǒng)，例如星系或我們的行星系統(tǒng)，都不會受到哈勃定律的影響，也不會膨脹。

針對均勻膨脹的宇宙的理想哈勃定律，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)是一個在三維笛卡爾/牛頓協(xié)調(diào)空間相當(dāng)初等的幾何定理。此協(xié)調(diào)空間被視為一種度量空間，具有完全均勻和各向同性（性質(zhì)不隨地點或方向改變）。簡單說明該定理如下：

 宇宙的最終命運和宇宙的年齡，可以取決于測量現(xiàn)今的哈勃常數(shù)和推斷減速參數(shù)的觀測值，此參數(shù)特具密度參數(shù)值（Ω）的特征。所謂的“封閉宇宙”（Ω＞1）即將在一次“大緊縮”（Big Crunch）后結(jié)束，比哈勃年齡年輕?！伴_放宇宙”（Ω≦1）永遠(yuǎn)都在擴張且具有較接近哈勃年齡的年齡。我們所居住的宇宙為“加速宇宙”（accelerating universe），其年齡正巧非常接近哈勃年齡。

哈勃常數(shù)的值隨著時間變化，其增加或減少取決于減速參數(shù) q {\displaystyle q} 的正負(fù)， q {\displaystyle q} 定義為：

在減速參數(shù)為零的宇宙，有 H = 1/ t ，其中 t 是自大爆炸以來的時間。然而，非零且與時間相關(guān)的 q {\displaystyle q} 值，則需要積分弗里德曼方程，將時間倒退到粒子視野（particle horizon）為0時（即大爆炸之初）。

我們可以定義宇宙的“哈勃年齡”（又稱為“哈勃時間”或“哈勃期”）為1/ H ，或9777.93（億年/[ H /(km/s/Mpc)]）。哈勃年齡以 H =70 km/s/Mpc來計算為139.68億年，或以 H =71 km/s/Mpc計算得137.72億年。當(dāng)星系的紅移 z 很小時，與我們的距離大約是 zc / H ，其中 c 是1（光年／年），又此距離可以被簡單地以 z （紅移）時間表示為137.72億光年。

長久以來 q 被認(rèn)為是正值，這表示由于引力的作用，宇宙膨脹正在減慢。這意味著宇宙的年齡小于1/ H （約140億年）。例如，若 q 為1/2時（其中一個理論上的可能值），宇宙的年齡為2/(3 H ) 。在1998年，一項發(fā)現(xiàn)指出 q 顯然是負(fù)值，代表著宇宙其實比1/ H 還要老。事實上，估計的宇宙年齡相當(dāng)接近1/ H 。

奧伯斯佯謬

哈勃定律對大爆炸的解釋總結(jié)了空間的擴展與著名的古老難題奧伯斯佯謬之間的矛盾：如果宇宙是無限的、穩(wěn)定的，充滿了均勻分布的恒星，那么在天空中視線所及之處都將存在著恒星，而天空也將會像恒星的表面一樣明亮。從1600年代開始，天文學(xué)家和其他的思想家提出了許多可能解決這個佯繆的想法，但當(dāng)前能被接受的這一部分是來自大爆炸的理論。宇宙只存在了有限的時間，只有有限多的星光有機會到達(dá)我們這兒，所以矛盾就解決了。換言之，在膨脹的宇宙中，遠(yuǎn)方天體的遠(yuǎn)離速度使來自她們的星光產(chǎn)生紅移并且降低了亮度，但這樣也只是解決了部分的矛盾。依照大爆炸的理論，兩者都有貢獻(xiàn)（宇宙的歷史是有限的在兩者中較為重要）。 天空之所以黑暗，也為大爆炸提供了一種證據(jù)。

哈勃常數(shù)的測量

哈勃常數(shù)的值通常經(jīng)由遙遠(yuǎn)星系的紅移來測量，這就是用與哈勃定律不同的方法測量同一星系的距離。但是在用來測量這些距離的物理假設(shè)上的不確定，造成哈勃常數(shù)的值有不同結(jié)果的。在20世紀(jì)的后半期，多數(shù)的哈勃常數(shù)值 H 0 {\displaystyle H_{0}} 都被估計在50和 90 (km/s)/Mpc 之間。

對哈勃常數(shù)的爭論

哈勃常數(shù)的值曾是個長久而激烈的爭議主題，熱拉爾·佛科留斯主張其值應(yīng)為100而艾倫·桑德奇則認(rèn)為其應(yīng)為50附近 。

1996年，由約翰·諾利斯·巴寇主持，包含古斯塔夫·安德列斯·塔曼及薛尼·范德胡斯特以類似早期沙普利-柯蒂斯之爭的模式舉行，針對上述兩個競爭數(shù)值進(jìn)行辯論。

1990年代晚期，引進(jìn)宇宙的λ-CDM模型，數(shù)值差異的問題獲得部分的解決。

Λ-CDM 模型

在此模型下，利用蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)進(jìn)行的X光高紅移群及微波波長的觀察、宇宙微波背景輻射各向異性的量度和光學(xué)調(diào)查皆測定哈勃常數(shù)的值為67左右。

使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的值

哈勃關(guān)鍵計劃（由在卡內(nèi)基天文臺的Wendy L. Freedman博士主導(dǎo)）使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行最精確的光學(xué)測量，在2001年五月 ，發(fā)表其最終估計值為72±8 (km/s)/Mpc，此結(jié)果與基于蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)進(jìn)行的銀河系星群觀測所測出的 H 0 {\displaystyle H_{0}} 相當(dāng)一致，具有相似的精確值。

使用WMAP的資料

在2003年，利用WMAP所得出最高精度的宇宙微波背景輻射測定值為71±4 (km/s)/Mpc，而在2006年，精確度提升至 70.4 +1.5 ?1.6 (km/s)/Mpc ，2008年T，WMAP在線上提供的數(shù)值是 71.9 +2.6 ?2.7 (km/s)/Mpc .[1]。 這些來自WMAP和其他宇宙論的數(shù)值都與簡單版本的λ-CDM模型日趨接近。如果這些數(shù)值能與更普遍的版本吻合， H 0 {\displaystyle H_{0}} 傾向于更小和更不確定：通常數(shù)值在 67 ± 4 (km/s)/Mpc 的附近，但有些模型的數(shù)值接近63 (km/s)/Mpc 。

使用錢卓X射線天文臺的資料

在2006年8月，來自馬歇爾太空飛行中心（MSFC）的研究小組使用美國國家航空航天局的錢卓X射線天文臺發(fā)現(xiàn)的哈勃常數(shù)是 77 (km/s)/Mpc ，誤差大約是15% 。 所有這些測量方法結(jié)果的一致性，都支持 H 0 {\displaystyle H_{0}} 的值和ΛCDM模型。

膨脹的加速

在1998年，來自Ia超新星標(biāo)準(zhǔn)燭光測量的 q {\displaystyle q} 值卻是負(fù)數(shù)，令許多天文學(xué)驚訝的是宇宙加速膨脹，雖然哈勃因子會隨著時間而衰減。請參見暗物質(zhì)和ΛCDM模型。

2009年5月7日，美國宇航局發(fā)布最新的哈勃常數(shù)測定值，根據(jù)對遙遠(yuǎn)星系Ia超新星的最新測量結(jié)果，常數(shù)被確定為74.2± 3.6 km/(s*Mpc)，不確定度進(jìn)一步縮小到5%以內(nèi)。

2012年10月3日，天文學(xué)家使用美國宇航局的斯皮策紅外空間望遠(yuǎn)鏡精確計算了哈勃常數(shù)，數(shù)值結(jié)果為74.3±2.1(km/s)/Mpc。

哈勃常數(shù)的推導(dǎo)

從弗里德曼方程開始：

此處 H {\displaystyle H} 是哈勃參數(shù)， a {\displaystyle a} 是宇宙標(biāo)度因子， G {\displaystyle G} 是萬有引力常數(shù)， k {\displaystyle k} 是標(biāo)準(zhǔn)化的宇宙空間曲率，其值為 ?1、0、或 +1，和 Λ Λ --> {\displaystyle \Lambda } 是宇宙常數(shù)。

物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙(和宇宙常數(shù))

如果宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)，則宇宙的質(zhì)量密度 ρ ρ --> {\displaystyle \rho } 剛好可以包括的物質(zhì)是

此處 ρ ρ --> m 0 {\displaystyle \rho _{m_{0}}} 是現(xiàn)在的物質(zhì)密度，我們知道的非相對論粒子質(zhì)量密度會隨著宇宙的體積增加而成比例的降低，所以上述方程必須為真。我們也可以定義(參見 Ω Ω --> m {\displaystyle \Omega _{m}} 的密度參數(shù))：

所以 ρ ρ --> = ρ ρ --> c Ω Ω --> m / a 3 . {\displaystyle \rho =\rho _{c}\Omega _{m}/a^{3}.} 也可以，依據(jù)定義：

和

此處的下標(biāo)0代表現(xiàn)在的數(shù)值，并且 a 0 = 1 {\displaystyle a_{0}=1} 。到此為止的所有一切都是章節(jié)剛開始的弗里德曼方程和轉(zhuǎn)換 a {\displaystyle a} 成為 a = 1 / ( 1 + z ) {\displaystyle a=1/(1+z)} 得到

物質(zhì)和暗能量主導(dǎo)的宇宙

如果宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)和暗能量主導(dǎo)，然后前述方程中的哈勃參數(shù)也將是暗能量的狀態(tài)方程。所以現(xiàn)在：

此處 ρ ρ --> d e {\displaystyle \rho _{de}} 是暗能量的質(zhì)量密度。依據(jù)定義，在宇宙論的狀態(tài)方程是 P = w ρ ρ --> c 2 {\displaystyle P=w\rho c^{2}} ，并且我們將這帶入流體的方程，它描述了宇宙的質(zhì)量密度隨著時間的變化，

如果w 是常數(shù)，

那么暗能量就是w狀態(tài)的恒等式， ρ ρ --> d e ( a ) = ρ ρ --> d e 0 a ? ? --> 3 ( 1 + w ) {\displaystyle \rho _{de}(a)=\rho _{de0}a^{-3\left(1+w\right)}} 。如果我們以與之前相似的方式轉(zhuǎn)換弗里德曼方程，但是這次設(shè)定 k = 0 {\displaystyle k=0} ，這是假設(shè)我們生活在一個平坦宇宙的形狀 (參見宇宙的形狀)，

如果暗能量不是w狀態(tài)的恒等式，則

要解此方程，我們需要參數(shù)化 w ( a ) {\displaystyle w(a)} ，例如如果 w ( a ) = w 0 + w a ( 1 ? ? --> a ) {\displaystyle w(a)=w_{0}+w_{a}(1-a)} ，得到

由哈勃常數(shù)導(dǎo)出的單位

哈勃時間

哈勃常數(shù) H 0 {\displaystyle H_{0}} 的單位是時間的倒數(shù)，也就是說 H 0 {\displaystyle H_{0}} ~ 2.29×10 s 。“哈勃時間”定義為 1 / H 0 {\displaystyle 1/H_{0}} 。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙論模型的哈勃時間是4.35×10 s 或138億年（Liddle 2003，p.57），"擴張時間尺度"一詞的意思是"哈勃時間"[2]。如果 H 0 {\displaystyle H_{0}} 的值保持恒定，哈勃時間自然的解釋是電子大小的宇宙增加一個數(shù)量級所需要的時間 (因為解dx/dt = x H 0 {\displaystyle H_{0}} is x = s 0 {\displaystyle s_{0}} exp( H 0 {\displaystyle H_{0}} t)，此處 s 0 {\displaystyle s_{0}} 是在t = 0的任意初始條件下的形狀)。但是，在如上文所述的廣義相對論、暗能量、暴脹等，長時間下的動力學(xué)是復(fù)雜的。

哈勃長度

哈勃長度是宇宙論的距離單位，定義為 c / H 0 {\displaystyle c/H_{0}} —光速與哈勃時間的乘積。它相當(dāng)于42億2800萬秒差距或138億光年(哈勃長度以光年表示的數(shù)值，依據(jù)定義，等同于哈勃時間以年表示的值)。

哈勃體積

哈勃體積有時被定義為共動大小 c / H 0 {\displaystyle c/H_{0}} 的體積。精確的定義是：有時將其定義為球體半徑為 c / H 0 {\displaystyle c/H_{0}} 時的體積。有些宇宙論甚至使用哈勃體積一詞引用為可觀測宇宙的體積，然而這個半徑可能還要大3倍。

相關(guān)條目

宇宙的年齡

宇宙形狀

參考資料

Kutner, Marc. Astronomy: A Physical Perspective. Cambridge University Press. 2003. ISBN 978-0-521-52927-3.

Hubble, E.P.., The Observational Approach to Cosmology (Oxford, 1937)

ticle/436836/

免責(zé)聲明：以上內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有，如有侵犯您的原創(chuàng)版權(quán)請告知，我們將盡快刪除相關(guān)內(nèi)容。感謝每一位辛勤著寫的作者，感謝每一位的分享。