宇宙學 - 膨脹的宇宙

宇宙學是研究宇宙的學科。追溯到過去，關於宇宙起源有幾種不同的學派。許多學者相信穩態理論。根據這一理論，宇宙一直都是一樣的，它沒有開始。

而與此同時，也有一群人相信大爆炸理論。這一理論預言了宇宙的開端。有大爆炸遺留下來的高溫輻射的證據，這再次支援了該模型。大爆炸理論預測了宇宙中輕元素的丰度。因此，遵循著名的大爆炸模型，我們可以說宇宙是有開端的。我們生活在一個膨脹的宇宙中。

哈勃紅移

在20世紀初，最先進的望遠鏡，威爾遜山天文臺的100英寸望遠鏡，是當時最大的望遠鏡。哈勃是使用該望遠鏡工作的傑出科學家之一。他發現銀河系外還有其他的星系。河外天文學只有100年的歷史。威爾遜山天文臺是最大的望遠鏡，直到帕洛瑪天文臺建成，擁有200英寸的望遠鏡。

哈勃並不是唯一一個觀測銀河系外星系的人，休馬森幫助了他。他們開始測量附近星系的頻譜。然後他們觀察到星系光譜在可見光波長範圍內有連續發射。在連續譜的頂部有發射線和吸收線。從這些譜線，我們可以估計星系是遠離我們還是靠近我們。

當我們得到一個光譜時，我們假設最強的譜線來自H-α。根據文獻，最強的譜線應該出現在6563 Å，但是如果譜線出現在7000Å附近，我們可以很容易地說它是紅移的。

根據狹義相對論：

$$1 + z = \sqrt{\frac{1+\frac{v}{c}}{1-\frac{v}{c}}}$$

其中，Z是紅移，一個無量綱數，v是退行速度。

$$\frac{\lambda_{obs}}{\lambda_{rest}} = 1 + z$$

哈勃和休馬森在他們的論文中列出了22個星系。幾乎所有這些星系都表現出紅移。他們繪製了速度（km/s）與距離（Mpc）的關係圖。他們觀察到一種線性趨勢，哈勃提出了他著名的定律，如下所示。

$$v_r = H_o d$$

這是哈勃紅移距離關係。下標r表示膨脹是徑向的。其中，$v_r$是退行速度，$H_o$是哈勃引數，d是星系到我們的距離。他們得出結論：如果宇宙的膨脹速率是均勻的，那麼遙遠的星系遠離我們的速度越快。

一切都在遠離我們。星系並非靜止的，總存在某種膨脹的諧波。哈勃引數的單位是km sec⁻¹Mpc⁻¹。如果距離為-1 Mpc，星系的移動速度將達到200公里/秒。哈勃引數給了我們膨脹的速率。根據哈勃和休馬森的說法，$H_o$的值是200公里/秒/Mpc。

資料顯示所有星系都在遠離我們。因此，很明顯我們處於宇宙的中心。但哈勃沒有犯這個錯誤，根據他的說法，無論我們居住在哪個星系，我們都會發現所有其他星系都在遠離我們。因此，結論是星系之間的空間在膨脹，宇宙沒有中心。

膨脹無處不在。然而，也有一些力在抵抗膨脹。化學鍵、萬有引力和其他吸引力將物體結合在一起。早些時候所有物體都彼此靠近。將大爆炸視為一種衝力，這些物體被設定為彼此遠離。

在區域性尺度上，運動學受萬有引力的支配。在最初的哈勃定律中，有一些星系顯示出藍移。這可以歸因於星系的組合引力勢。萬有引力使某些事物與哈勃定律脫鉤。仙女座星系正在向我們靠近。萬有引力試圖減緩膨脹。最初膨脹正在減慢，現在正在加速。

由於這個原因，發生了一個宇宙急轉彎。對哈勃引數進行了多次估計。在90年中，它從500公里/秒/Mpc演變到69公里/秒/Mpc。值的差異是由於距離的低估。造父變星被用作距離校準器，但是存在不同型別的造父變星，在哈勃引數的估計中沒有考慮這一事實。

哈勃常數使我們能夠對宇宙的年齡進行現實的估計。如果星系一直以相同的速度運動，$H_o$將給出宇宙的年齡。$H_o$的倒數給出哈勃時間。

$$t_H = \frac{1}{H_o}$$

用$H_o$的當前值代替，$t_H$ = 140億年。從宇宙開始以來，膨脹速度一直是恆定的。即使這不是真的，$H_o$也為宇宙的年齡提供了一個有用的上限。假設膨脹速度恆定，當我們在距離和時間之間繪製圖表時，圖表的斜率由速度給出。

在這種情況下，哈勃時間等於實際時間。然而，如果宇宙在過去膨脹得更快，現在膨脹得更慢，那麼哈勃時間給出了宇宙年齡的上限。如果宇宙以前膨脹較慢，現在正在加速，那麼哈勃時間將給出宇宙年齡的下限。

考慮一組10個星系，它們距離另一組星系200 Mpc。星系團內的星系永遠不會得出宇宙正在膨脹的結論，因為區域性星系團內的運動學是由萬有引力控制的。

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