Astronomy 版 (精华区)

　　

　　自从哈勃发现星系退行现象以后，天文学家便开始了测定宇宙年龄的工作。多
年来，有好几个天文小组在用不同的方法估计宇宙的年龄。他们的测定结果明显地
互相矛盾，从80亿年到200亿年不等。因此，在研究人员中常常发生对测定方法的
争论。

　　但大家一致同意，在估计宇宙的年龄时首先需要求得哈勃常数的现代值，因为
哈勃常数是表明星系随距离而退行的速度。其次，宇宙年龄有赖于所考虑的宇宙模
型（开放的、闭合的或者是平直的；宇宙常数是否为零）。有了这两个前题，我们
才能确定若宇宙按现在的速率膨胀的话，其年龄应当是多少。

　　如果空间是平直的--理论工作者最感兴趣的暴涨宇宙模型--则哈勃常数与宇宙
年龄的关系最简单，两者成反比。因此，对于平直宇宙学来说，一旦测出了哈勃常
数，只需取其数学倒数便直接知道宇宙年龄了。

　　70年代中期以来，最受大家信赖的宇宙年龄的估计值，是尊敬的天文学家桑德
奇（Allan Sandage）所测定的值。他是哈勃的学生，在加利福尼亚州帕萨迪纳的
卡内基天文台工作。他曾多年观测许多星系中的超新星，用这些超新星作为测定星
系距离的标准。

　　桑德奇取超新星作为优秀的“标准烛光”是有许多理由在平直宇宙模型中，哈
勃常数与宇宙的年龄成反比的。首要的是，超新星爆发时发生的光极强，即使是远
方星系中爆发的超新星，我们也常能看得见。其次，虽然对任何一个星系而言，这
类爆发很少发生，但天空有很多星系，平均每个星期在空间至少有一次新的超新星
出现。第三，所有叫做Ia型的超新星，大体上都具有相同的绝对亮度。因此，这类
超新星，不论它们离我们多远，都具有可预见的光输出。在椭圆星系和较年老的旋
涡星系中，都会发生Ia型超新星爆发。

　

　

　　桑德奇的超新星技术非常之简单。将测得的一颗超新星的光输出与理论预期值
比较，便能计算出该超新星距离我们有多远。自然，此距离也就是超新星所在星系
的距离。从许多星系的距离和速度的数据，桑德奇测定出哈勃常数约每秒每百万秒
差距50公里（1秒差距＝3.26光年），从而宇宙年龄在150～200亿岁之间。

　　自从桑德奇得出上述结论以来，多年来，天文学家对这个宇宙年龄值感到较满
意。因为这些年龄值足够地大，对宇宙历史上曾经发生的各类事件都能涵盖，没有
矛盾。例如，它比银河系的年龄要大得多，后者估计为90～120亿岁。

　　但近年来，由于一年轻科学工作者的挑战，桑德奇测定的哈勃常数值受到了怀
疑。以弗里德曼女士为首的一个15人天文小组发展了一个估计哈勃常数的新方法。
他们测得的哈勃常数之值比桑德奇的值要大得多，从而所得宇宙年龄之值要小得多
。



　　弗里德曼的技术--包含发现一个叫做M100的远方星系中的造父变星--极大地有
赖于HST的敏锐的视力。在HST发射以前，天文学家经常用造父变星方法做为测量近
邻星系，如仙女星系的距离。但人们发现，不可能用此方法让设置在高山上的望远
镜去记录较远星系中的造父变星。由于此原因，较亮的天体如超新星，被视为更受
青睐的标准烛光。其次，研究人员希望用更精确的仪器来延伸造父变星技术。他们
视HST的发射为达到此目的难得的良机。自然地，HST特别设计了去帮助天文学家在
远方星系中猎取造父变星。

　　1994年，弗里德曼小组将HST瞄准M100星系并观察其中的4万多个恒星达数月之
久。从所得数据中，他们精确地选中了20颗星为造父变星。一旦发现了这些造父变
星，并把它们的光变周期和绝对亮度记录下来，这些信息立即便可用于估计星系的
距离。小组所得M100的距离为5600万±600万光年。

　　天文学家们相信，M100位于室女座星系团的一群旋涡星系之中。已知室女团的
退行速度多年，由于弗里德曼小组的工作，其距离也知道了。人们会认为这两个数
值可直接用来求哈勃常数了。其实不然，因为室女团靠银河系所在的本星系群较近
，两组星系之间有较强的引力吸引，故哈勃定律--星系退行速度与其距离成正比
--不能完全适用于室女团。因此，以室女团的距离除以其退行速度所得哈勃常数值
，将是不准确的。

　　为了求哈勃常数，弗里德曼小组需要应用一个更为精确的逼近--用他们M100的
结果去获得更远的后发座星系团的距离。后发团离地球足够地远，其运动贴切地服
从哈勃定律。弗里德曼及其合作者们认为，有关后发团的信息将能获得一个理想的
准确哈勃常数。

　　在他们应用的方法中，首先假定所得M100之距离，与室女团中其近邻的旋涡星
系的平均距离一样。其次，他们注视到后发团中一组相似的旋涡星系。假定这两组
旋涡星系有相同的本身亮度，然后比较后发团的这组旋涡星系比室女团的一组旋涡
星系暗多少。从这个比较，测定出后发团比室女团远5.5倍。这就是说，后发团距
地球稍远于3亿光年。最后，他们将已知后发团的退行速度被其距离来除，得到的
一个哈勃常数之值为每秒每百万秒差距80公里。由于对M100在室女团中位置测定的
不确定性，他们估计所测出的哈勃常数值的误差在20％左右。



　　弗里德曼小组测定的哈勃常数值比桑德奇的高得多，因而所得宇宙年龄要小得
多。如果弗里德曼小组的结果是准确的，则宇宙只有80～120亿岁。但我们也注意
到，在弗里德曼小组的计算中，既有因不确定性而发生的较大范围的哈勃常数之值
，也没有考虑宇宙是开放的、平直的或闭合的问题。对大多数科学家来说，这一宇
宙年龄的估计值显得荒唐。宇宙中一些最老的老年星的年龄被认为至少有140亿岁
，显然，宇宙中的恒星不应比它们所在空间的年龄还要老，就像人们不可能比他（
她）的母亲还要老一样。

　　今天，宇宙学中最迫切的事是要解决年龄问题。为了说明估计的宇宙年龄与其
组分年龄之间的矛盾，一些理论工作者在试图修改标准宇宙模型。有人建议恢复宇
宙常数项，少数人主张完全抛弃大爆炸模型（或广义相对论）。另一些人认为弗里
德曼和她的支持者提出的对宇宙年龄的估计不准确--太低，应不予考虑。确实，这
是一个尚未定案的迫切需要解决的问题。

　　解决宇宙年龄窘境，最终需要详细了解大尺度空间内天体分布的情况。为此，
天文学家在忙于绘制出宇宙的一部分，试图理解其组织和历史。正如我们的祖先在
羊皮纸上记录地球错综复杂的地形一样，当代的“制图家们”正在用天文仪器去显
示出宇宙的肖像，这个宇宙在结构和多样性方面也是很丰富多彩的。