为什么存在哈勃定律

自河外星系之本质被揭开后，人类的视野从银河系拓展到了星系世界。天文学家开始把注意力转向星系，哈勃本人更是全力从事星系的实测和研究，包括测定它们的视向速度和距离，以探求两者之间是否存在某种关系。

哈勃1929年发表的“河外星云的速度-距离关系”原图，横坐标是距离，以秒差距为单位；纵坐标是视向速度，以千米/秒为单位。各种不同记号的含义，在哈勃的原文中均有详细说明

为了纪念哈勃，人们用他的名字命名了这架望远镜，即“哈勃空间望远镜”

天体运动速度在观测者视线方向上的分量称为视向速度。测定天体视向速度的基础是物理学中的多普勒效应。多普勒效应是奥地利物理学家多普勒于1842年首先发现的，说的是运动中的声源发出的声音在静止观测者听来波长（或频率）是变化的，静止观测者听到的运动声源所发出的声音波长λ，与声源静止时声音的波长λ0之间，存在着简单的关系（λ−λ0）/λ0=v/c，这里v为声源运动速度，c为声速。

哈勃和赫马森在1931年得到的星系距离-红移关系

如把多普勒效应用于天体光线的传播上，那么上述简单公式中的c代表光速，v代表天体的视向速度。只要测得运动天体光谱中某条谱线的波长λ，以及相应的静止波长λ0，即可利用上述公式推算出天体的视向速度v。（λ−λ0）称为多普勒位移，如（λ−λ0）＞0，光谱线波长变长，谱线朝光谱的红端移动，称为红移，表明天体作远离观测者的退行运动；反之，如（λ−λ0）＜0，光谱线波长变短，谱线朝光谱的蓝端移动，则称为蓝移，天体作朝向观测者而来的运动。这就是测定天体视向速度的基本原理。

经过几年不懈的工作，到1929年，哈勃获得了46个星系的光谱，并发现它们表现出普遍性的谱线红移。如果用多普勒效应来解释，那就说明所有星系都在远离地球运动，速度可高达数百甚至上千千米每秒，甚至更大。这与银河系中的恒星截然不同：恒星光谱有红移，也有蓝移，表明有的在靠近地球。有的在远离地球，但速度仅为每秒几千米或数十千米。

美国威尔逊山天文台2.54米口径望远镜。哈勃用它进行观测，作出了一系列极为重要的发现

在进一步估计星系的距离之后，哈勃惊讶地发现，距离（记为r）越远的星系视向速度v也越大，两者之间存在着简单的正比关系：v=H0r。星系的这种速度-距离关系，就是著名的哈勃定律，其中的比例系数H0称为哈勃常数。

1929年3月，哈勃首次发表他的这一研究成果。在那46个已知视向速度的星系中，仅有24个确定了距离，它们的视向速度不超过1200千米每秒。当时得到的星系之速度-距离关系也不十分明晰，单个星系对关系式v=H0r的弥散比较大。后来哈勃与助手赫马森合作，又获得了另外50个星系的光谱，其中视向速度最大的已接近2万千米/秒。在他们两人于1931年发表的论文中，星系的速度-距离关系得到进一步确认，且更为清晰。1948年，他们测得长蛇星系团的退行速度已高达6万千米/秒，而速度-距离的正比关系依然成立。今天，哈勃定律已为天文界所公认，它在宇宙学研究中有着特别重要的作用。

那么，哈勃定律又说明了什么呢？

在哈勃定律发现之前，俄罗斯数学家弗里德曼于1922年首次从理论上论证了宇宙膨胀的可能性，对爱因斯坦静态宇宙提出了挑战。5年后，比利时天文学家勒梅特提出了均匀各向同性的膨胀宇宙模型，指出天体的退行运动起因于空间膨胀，并预言退行速度v应该与天体的距离r成正比。在20世纪20年代，通信手段和科学家之间的交流还远不如今天快捷。因此，生活在大西洋彼岸的哈勃在相当一段时间内对勒梅特的工作一无所知。哈勃独立地通过实测发现了关系式v=H0r，有力地支持了弗里德曼和勒梅特的理论——今日所称的大爆炸宇宙模型的雏型。

通过测量一批星系的视向速度和距离，便可确定哈勃常数H0=v/r。这一方法的原理看似简单，具体实施却颇为不易，一个重要原因是星系运动的复杂性。

星系的上述普遍性退行运动称为哈勃流，这是一种遵循哈勃定律的系统性运动。实际上，除参与哈勃流运动外，因局部大质量天体的引力作用，星系自身还有偏离哈勃流的所谓“本动”，而本动并不服从哈勃定律。星系越远，本动部分占星系观测运动中的比例越小。要想尽可能减小本动的影响，就应该用尽可能远的星系来确定比例常数H0。为了测定准确的H0值，天文学家已经花了好几十年的时间，目前哈勃常数的最可靠值为H0=73千米/（秒·兆秒差距）。（赵君亮）

【微博士】哈勃常数之变迁

哈勃常数H0=v/r，它的单位便是速度（以千米/秒表示）除以距离（通常以兆秒差距表示，1兆秒差距就是106秒差距）。起初哈勃和赫马森得出H0=526千米/秒/兆秒差距=526千米/（秒·兆秒差距）。20世纪50年代初，随着星系距离测定精度的提高，H0值修订为260千米/（秒·兆秒差距），1956年又减小为180千米/（秒·兆秒差距），1958年进而减小为75千米/（秒·兆秒差距）。鉴于精确测定H0的重要性，在嗣后的近半个世纪内，天文学家通过不同途径，利用更大星系样本对H0进行了大量的测定，所得结果总体上呈现不断变小的趋势。

【微博士】哈勃时间

哈勃常数的倒数t0=1/H0称为哈勃时间。哈勃定律是宇宙膨胀的一种观测效应，据此可推知在遥远过去的某个时间（即t0）之前，宇宙中所有的物质必聚集在一个极小的空间范围内。因此，一旦确定了哈勃常数，便可估计宇宙的年龄。

【科学人】哈勃

埃德温·哈勃（1889—1953），美国天文学家，星系天文学的奠基人，观测宇宙学的开创者。从1919年起，在威尔逊山天文台工作，直到去世。对天文学有许多贡献，其中最重要的有两项：一是确认河外星系是与银河系相当的庞大恒星系统，二是发现了哈勃定律。

【微问题】如何由哈勃常数估算可观测宇宙的年龄？

【关键词】星系天文学　哈勃定律　哈勃常数