宇宙学 - 膨胀的宇宙

宇宙学是研究宇宙的学科。追溯到过去，关于宇宙起源有几种不同的学派。许多学者相信稳态理论。根据这一理论，宇宙一直都是一样的，它没有开始。

而与此同时，也有一群人相信大爆炸理论。这一理论预言了宇宙的开端。有大爆炸遗留下来的高温辐射的证据，这再次支持了该模型。大爆炸理论预测了宇宙中轻元素的丰度。因此，遵循著名的大爆炸模型，我们可以说宇宙是有开端的。我们生活在一个膨胀的宇宙中。

哈勃红移

在20世纪初，最先进的望远镜，威尔逊山天文台的100英寸望远镜，是当时最大的望远镜。哈勃是使用该望远镜工作的杰出科学家之一。他发现银河系外还有其他的星系。河外天文学只有100年的历史。威尔逊山天文台是最大的望远镜，直到帕洛玛天文台建成，拥有200英寸的望远镜。

哈勃并不是唯一一个观测银河系外星系的人，休马森帮助了他。他们开始测量附近星系的频谱。然后他们观察到星系光谱在可见光波长范围内有连续发射。在连续谱的顶部有发射线和吸收线。从这些谱线，我们可以估计星系是远离我们还是靠近我们。

当我们得到一个光谱时，我们假设最强的谱线来自H-α。根据文献，最强的谱线应该出现在6563 Å，但是如果谱线出现在7000Å附近，我们可以很容易地说它是红移的。

根据狭义相对论：

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

其中，Z是红移，一个无量纲数，v是退行速度。

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

哈勃和休马森在他们的论文中列出了22个星系。几乎所有这些星系都表现出红移。他们绘制了速度（km/s）与距离（Mpc）的关系图。他们观察到一种线性趋势，哈勃提出了他著名的定律，如下所示。

$$v_r = H_o d$$

这是哈勃红移距离关系。下标r表示膨胀是径向的。其中，$v_r$是退行速度，$H_o$是哈勃参数，d是星系到我们的距离。他们得出结论：如果宇宙的膨胀速率是均匀的，那么遥远的星系远离我们的速度越快。

一切都在远离我们。星系并非静止的，总存在某种膨胀的谐波。哈勃参数的单位是km sec⁻¹Mpc⁻¹。如果距离为-1 Mpc，星系的移动速度将达到200公里/秒。哈勃参数给了我们膨胀的速率。根据哈勃和休马森的说法，$H_o$的值是200公里/秒/Mpc。

数据显示所有星系都在远离我们。因此，很明显我们处于宇宙的中心。但哈勃没有犯这个错误，根据他的说法，无论我们居住在哪个星系，我们都会发现所有其他星系都在远离我们。因此，结论是星系之间的空间在膨胀，宇宙没有中心。

膨胀无处不在。然而，也有一些力在抵抗膨胀。化学键、万有引力和其他吸引力将物体结合在一起。早些时候所有物体都彼此靠近。将大爆炸视为一种冲力，这些物体被设定为彼此远离。

在局部尺度上，运动学受万有引力的支配。在最初的哈勃定律中，有一些星系显示出蓝移。这可以归因于星系的组合引力势。万有引力使某些事物与哈勃定律脱钩。仙女座星系正在向我们靠近。万有引力试图减缓膨胀。最初膨胀正在减慢，现在正在加速。

由于这个原因，发生了一个宇宙急转弯。对哈勃参数进行了多次估计。在90年中，它从500公里/秒/Mpc演变到69公里/秒/Mpc。值的差异是由于距离的低估。造父变星被用作距离校准器，但是存在不同类型的造父变星，在哈勃参数的估计中没有考虑这一事实。

哈勃常数使我们能够对宇宙的年龄进行现实的估计。如果星系一直以相同的速度运动，$H_o$将给出宇宙的年龄。$H_o$的倒数给出哈勃时间。

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

用$H_o$的当前值代替，$t_H$ = 140亿年。从宇宙开始以来，膨胀速度一直是恒定的。即使这不是真的，$H_o$也为宇宙的年龄提供了一个有用的上限。假设膨胀速度恒定，当我们在距离和时间之间绘制图表时，图表的斜率由速度给出。

在这种情况下，哈勃时间等于实际时间。然而，如果宇宙在过去膨胀得更快，现在膨胀得更慢，那么哈勃时间给出了宇宙年龄的上限。如果宇宙以前膨胀较慢，现在正在加速，那么哈勃时间将给出宇宙年龄的下限。

考虑一组10个星系，它们距离另一组星系200 Mpc。星系团内的星系永远不会得出宇宙正在膨胀的结论，因为局部星系团内的运动学是由万有引力控制的。

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