第31章 斯隆长城 (6/10)

=

h?

x

d，其中v是退行速度，h?是哈勃常数，d是距离。

问题来了：哈勃常数本身是需要测量的未知量。因此，红移只能给出“相对距离”，要得到绝对距离，必须用“标准烛光”校准。

2.

第二步：标准烛光——宇宙中的“已知亮度灯泡”

“标准烛光”是天文学中一类亮度已知的天体：我们可以通过观测它的视亮度（apparent

brightness），用“平方反比定律”算出它的距离（距离越远，视亮度越暗）。

斯隆长城中常用的标准烛光有两类：

ia型超新星（type

ia

supernova）：这类超新星由白矮星吸积伴星物质达到钱德拉塞卡极限（约1.4倍太阳质量）时爆发，亮度高度一致（绝对星等约为-19.3）。20世纪90年代，天文学家正是用ia型超新星发现了宇宙加速膨胀（暗能量的存在）。在斯隆长城中，天文学家找到了多个ia型超新星，它们的红移对应距离约80亿-100亿光年，正好覆盖了长城的核心区域。

造父变星（cepheid

variable）：这类变星的亮度随时间周期性变化，周期与绝对亮度严格相关（周光关系）。造父变星的距离测量精度更高（误差约5%），但适用范围更近（约1亿-10亿光年）。斯隆长城中的“近端”（距离地球约50亿光年）超星系团，就是用造父变星校准距离的。

3.

第三步：距离阶梯——从近到远的“接力赛”

无论是ia型超新星还是造父变星，都有各自的适用范围。要将这些“局部距离”拼接成斯隆长城的整体轮廓，需要距离阶梯（distance

ladder）：用近的标准烛光校准远的标准烛光，逐步扩展测量范围。

例如：

用三角视差法（parallax）测量银河系内造父变星的距离，校准周光关系；

用银河系内的造父变星测量邻近星系（如仙女座星系）的距离，校准ia型超新星的绝对亮度；

用ia型超新星测量斯隆长城核心区域的距离，再结合红移数据，推算出长城的整体长度。

这种“接力式”测量，让斯隆长城的长度误差控制在10%以内——对于13.7亿光年的尺度来说，误差约1.3亿光年，足以满足宇宙学研究的需求。

三、对哈勃常数的约束：斯隆长城的“独立测量”

哈勃常数（h?）是宇宙学的核心参数之一，它描述了宇宙膨胀的速率。当前，哈勃常数的测量存在“争议”：

本地测量（如造父变星+ia型超新星）：h?

≈

73

km\/s\/mpc（千米\/秒\/百万秒差距）；

cmb测量（如普朗克卫星）：h?

≈

67

km\/s\/mpc。

这两个结果的差异（约9%），被称为“哈勃张力”（hubble

tension）。天文学家认为，要么是本地测量有系统误差，要么是Λcdm模型（宇宙标准模型）需要修改。

斯隆长城的出现，为解决这个争议提供了“独立第三种测量”——通过大尺度结构的“生长速率”，反推哈勃常数。

1.

大尺度结构的生长：从早期到现在的“膨胀痕迹”

根据宇宙学理论，宇宙中的结构（如星系团、超星系团）是从早期的量子涨落生长而来的。结构的生长速率取决于两个因素：

引力：暗物质的引力将物质聚集，促进结构生长；

暗能量：暗能量的排斥力阻碍结构生长，使宇宙加速膨胀。

因此，测量斯隆长城中结构的“生长速率”（比如，它从宇宙早期到现在，长度增长了多少），可以反推出引力与暗能量的相对强度，进而约束哈勃常数。

2.

斯隆长城的生长速率：来自高红移星系的证据

2023年，jwst团队发布了一项关键研究：他们观测了斯隆长城中红移z=11的星系（距离地球约135亿光年），发现这些星系所在暗物质晕的质量约为1011太阳质量。而根据Λcdm模型，这些暗物质晕在宇宙早期（z=2）会合并成更大的晕，最终形成斯隆长城中的超星系团。

通过比较早期暗物质晕的质量与现在的质量，天文学家计算出斯隆长城的结构生长速率：约为每年1%（即长度每年增加约1.37亿光年x1%=1.37亿光年？不，正确的计算是，从z=2到z=0，宇宙膨胀了约4倍，所以结构的物理长度增长了约4倍——从约3.4亿光年到13.7亿光年，生长速率约为每年(13.7-3.4)\/138亿年≈7.5x10?11\/年）。

将这个生长速率代入宇宙学模型，天文学家得到h?

≈