天文学家相信他们有足够证据表明宇宙年龄——自从大爆炸以来的时间——是在100亿年到200亿年之间。他们怎么知道的呢？新近对遥远星系的观测，能使这两个上、下限靠拢一些吗？

去年年底以前，天文工作者感到兴奋，一般人也发生兴趣，也许还有点迷惑，因为发表了一项重新测量宇宙年龄的报道，表明宇宙并不像不久前一向所认为的那么老，而是只及一半。三位美国青年天文学家——M. Aaronson（斯图尔德天文台）、J. Huchra（哈佛大学）和J. Mould（基特峰国立天文台）（以下缩写为AHM）——用一种新技术重新测定了几个比较邻近的星系的距离。结果他们认为宇宙年龄的最佳估计应在100亿年左右，而不是过去二十余年中天文学界公认的200亿年。只测量星系的距离，如何能把宇宙的年龄告诉我们，为什么用不同方法获得的结果竟相差两倍，为寻求答案，本文作者访问了剑桥大学天文研究所的D. Hanes博士。他也正关注着测量星系距离的问题以及我们从大尺度理解宇宙的意义。

Hanes着重指出，正是对这个100亿 ~ 200亿年的年龄范围估计问题，过去20年一直进行着活跃而往往热烈的讨论，并且天文学家也只不过在1952年才刚落脚到这个估计年龄的“捧球场”上。就在那时，天文学家认识到他们所建立的衡量宇宙距离的标尺不是错了两倍，而是错了四倍。实际上等于一夜之间就把那时公认的“宇宙年龄”翻了两番项

空前引起广泛注意的发现_它引起思想上的一阵激动，因为它似乎表明天文学家对于大爆炸真正发生于何时可以稳步地取得愈来愈好的估计了。

当我们考虑几百亿年的年龄时，相差两倍无论如何不是什么大不了的事。100亿年和200亿年之间诚然相差两倍；但是一年和100亿年之间相差100亿倍！天文观测能够提供明显的证据，表明宇宙有一明确的开始，虽然它是发生在几百亿年前一比起这一戏剧性的事实来，年龄估计上出现的这点“误差”就更为次要了。

退行速度

大爆炸膨胀宇宙的概念，其历史是极短的。如Hanes所强调的，我们所得到的最有意义的“宇宙年龄”是所谓“膨胀年龄”，宇宙膨胀的发现，只能追溯到1912年，那时，在洛维尔天文台工作的V. Slipher首先确认：许多非恒星天体——星云——都在以每秒几百或几千公里的速度背离我们退行而去。这些速度比对我们银河系恒星所测得的多普勒速度要大得多。退行速度是根据这些星云的光谱特征线的多普勒红移来测出的，但是星云的确切性质直到1924年仍是一个谜，那一年哈勃开始用威尔逊山当时先进的100英寸望远镜对某些星云中的单个造父变星进行探测。哈勃能毫无疑问地证明：这些星云是在我们的银河系以外，并正在各自独立地形成星系。

又经过几年，哈勃和M. Hamason已能证明河外星系的退行高速度是同它们的视亮度相联系的：暗星系（推想它们只因离我们较远才显得较暗）比亮星系（近邻星系）退行得更快。这个相互关系由于测量了较近的河外星系中的造父变星而得到证实并更为严密——造父变星作交替膨胀、收缩的脉动，脉动周期与它们的亮度有关，这就为进行距离测量提供了“标准烛光”，当然，测量范围只限于单个造父变星能被证认的距离。不断改进的测量很快就表明：速度和距离的关系是线性的，它通常被表示成代数式形式v=H₀d——星系的退行速度V正比于距离d。比例常数目。现称为哈勃常数；哈勃自己用于方程式中的是“k”。这一发现同关于爱因斯坦方程可解释为描述一膨胀宇宙这样的认识联系起来，就建立起作为一门科学的宇宙论，并使得终于能描述宇宙怎样从一次原始爆发（大爆炸）演化到它当前状态。

大尺度模式

现在我们撇开宇宙学的各种难以捉摸的问题，只看看这些发现对于宇宙年龄能告诉我们什么。最要紧的是忽略各个星系的小尺度“自行运动”，这种运动对宇宙膨胀的模式会有所干扰。例如，邻近的仙女座星系（M31）实际上是朝我们这个方向运动的。其次，哈勃常数并非严格意义的常数，因为宇宙中所有物质的引力吸引作用必然使星系彼此远离的膨胀过程逐渐缓慢下来。哈勃“常数”应该因所有星系的膨胀速度随时间下降而下降，这就是为什么要给它加下标O，以暗示它是某些拘谨的天文学家更愿意称作哈勃“比值”或哈勃“参数”那个量的当前值。但是，只有经过比人类的任何时间标度都漫长得多的时间，H₀才出现能探测到的改变。参数H₀以km/S/Mpc（公里/秒/兆秒差距）的单位表示：因此，距离我们1 Mpc（1兆秒差距=326万光年）远的星系以H₀km/S的速度退行，距离我们2 Mpc远的星系有该退行速度的两倍，等等。

因此我们是生活在一膨胀的宇宙中。Hanes用炸弹爆炸的比喻（但是他强调这是不很确切的）来帮助理解，他把星系的向外猛冲比作炸弹碎片的向外猛冲。无论在什么时候，运动最快的碎片总是跑在最前面，因此在爆炸后的某一时刻，所观察到的碎片速度将与它们距爆炸地点的距离成正比，当然要忽略像空气阻力之类的外部因素。不论选择哪一块碎片——哪一个星系——作为测量距离和速度的参考原点，这样一条“哈勃定律”总是成立的。

从这个比喻，很容易看出一种确定宇宙年龄的方法。只要把任何两个星系——碎片——之间的距离除以它们的相对退行速度，就给出自从它们相互“接触”以来的时间，这被解释为自从大爆炸以来的时间。实际的宇宙自然是在减速膨胀的，因此相对退行速度在过去必定要大些，因而这种简单计算必然给出对宇宙年龄——自从大爆炸那次爆发以来的时间——的过高估计。但是若有一致的过高估计，在今天也就足以满足大多数宇宙学家了。用哈勃常数来表示时，宇宙年龄的这一估计值又称为“膨胀年龄”或“哈勃时间”，它就由t=d/v=1/H₀给出。

虽然哈勃很清楚这些含义，并且他有可靠的仪器以红移形式来测量星系速度，但是准确地测出到其它星系的距离要困难得多。此外，因为最邻近的一些星系具有不能与总体膨胀模式相拟合的自行速度，所以膨胀年龄的估计全靠测量至少几千万光年以远的星系的距离，并且要尽可能准确。半个世纪以来，距离的估计一直是薄弱环节，正是距离标尺的改变使我们对宇宙年龄的最佳估计有时发生戏剧性的改变。这项工作的先行者哈勃和Hamason对膨胀年龄提出的估计是20亿年，这实在短得令人为难，因为地质研究那时已经指出地球有一老得多的年龄，而宇宙竟会比我们这颗行星还年轻，这样的观念是不会有人接受的！这个难题到1952年得到解决，那时，借助于不断改进的观测，发现哈勃在某些情形中误把某一类变星当作另一类变星，在某些遥远星系中又把超亮度的电离气体云误认作恒星。结果是把对河外距离标尺的估计增加了四倍，这就把膨胀年龄上推到80亿年，轻而易举地超过了太阳系的年龄（根据各种片段证据估计约为45亿年）。从那时起，宇宙距离的标尺被不断改进，趋势是要把膨胀年龄的估计值一直推向200亿年——这种趋向现在才被AHM的工作和Hanes的完全独立的研究逆转过来，Hanes所用的是一种尚未获得赞扬但同样令人佩服的新方法。

Hanes是通过研究遥远星系中的球状星团的亮度来着手解决的。这些星团很可能是优良的宇宙距离指示器，这不只是因为它们包含很多恒星因而很亮，并且在穿过宇宙的大距离上仍然可见。顾名思义，球状星团是球状的；它们可能在一个星团中包含多达百万个恒星，同时每个恒星的平均亮度都同我们太阳的亮度相仿。这样的星团可见于银河系各处的超过100个，在距离我们几千万光年的室女座星系团中也能证认它们的存在，那里的球状星团成千地围绕着它们的星系。如果所有的球状星团都具有完全相同的亮度，那么要确定星系间距，只要测量它们的视亮度就行了，因为视亮度简单地按平方反比律而减弱，根据平方反比律，距离我们2x处的一“标准烛光”所将显示的亮度仅及距离X处的同样标准烛光的四分之一。可惜的是，球状星团并非全都等同。同在我们银河系内，最亮的球状星团比已知的最暗球状星团要亮100倍以上；如果不加思考地比较随意选自不同星系的两个球状星团，那么对这两个星系离我们的相对距离只能得出毫无希望的、引入歧途的指示。

但是，根据对室女座星系团中20个星系所缔合的球状星团进行的艰苦研究，Hanes发现：每个星系中亮/暗球状星团的相对数目都遵循同一模式。当把处于每一亮度的星团数目作为一“光度函数”来标绘时，对于那些已知位于离我们大致同样距离上的星系（这是从它们在实体上彼此缔合成一群而得知的），所得到的曲线也基本上等同。当用这一发现来研究同一星系中随机选取的一族球状星团的光度函数**时，它所给出的距离指示是相当明确的。

Hanes首先作出我们银河系中的球状星团的光度函数；然后作出所要研究的星系中的球状星团的光度函数，再比较这两条标绘曲线。因为来自遥远星系的光由于平方反比律而变暗，所以两条光度函数曲线在它们的“未经加工的”状态下看起来是不全同的。但是可以把对应于我们银河系球状星团的函数曲线用恰当的平方反比律加以弱化，这样修改以后，就能使两条曲线完全重叠。与这一必需的光度调节相对应的唯一距离，就是那另一星系的距离。天文学家以“星等”为单位来测量天体的亮度，因此用这种方法确定的距离是作为一个“距离模量”按星等给出的。用室女座星系团的数据，Hanes提出一个30.7星等的距离模量，相当于125亿年的宇宙膨胀年龄和80 km/S/Mpc的哈勃常数（100亿年相当于H₀=100 km/S/Mpc；200亿年相当于H₀=50 km/S/MPc）。这些结果已于去年发表；其它方法，包括A. Sandage和G. Tammann（海尔天文台）所收集并分析过的大量证据，仍旧指示一个大约200亿年的膨胀年龄，只有少量的其它尝试给出与Hanes的估计值相近的结果。虽然较大的膨胀年龄是被最广泛引用的值，但是天文学家之间现在肯定没有一致的意见；Hanes只说：“每种方法有各自的优点和问题，因而也就有各自的拥护者和诋毁者”。但是，对于这场争论的一个旁观者来说，有一点是清楚的，这就是：尽管Sandage，Tammann等人所用的“标准”方法是以收集几种（或多种）片段证据为基础的，但是球状星团法只用同一类天体的同一种观测结果。这样一种方法本能地不给误差留有多少余地，因为说理的链条愈长，则其中包含一个薄弱环节的可能性也就愈大。

AHM用的也是一步法，但这种方法使他们得以超越球状星团能被一个个挑选出来的距离，而向宇宙更深范围探索（虽则即使他们的方法也不能遍及就整个可见宇宙来说真正很大的空间范围；要确定到达最远星系的距离，只能通过测量红移并使用哈勃速度/距离关系中的H₀最佳估计值）。

他们的方法基本上是根据一个非常简单的事实：质量较大的星系包含较多的恒星，因而比它们那些质量较小的同类要亮些。如果能够确定一个星系的质量，并且还知道一个恒星的平均亮度，那么我们就能估计该星系的绝对光度，再根据它的目视光度和熟知的平方反比律就能确定它的距离。质量的估计是通过测量所选星系的自转速率，因为质量愈大的系统必须自转得愈快，才能防止它们由于自身的引力拉力作用所引起坍缩。对于那些以侧面朝向我们的扁平星系，要测量自转是不费事的，因为在星系两头所摄取的光谱的多普勒频移直接指示出星系的一侧朝向我们运动有多快，另一侧离开我们运动有多快（自然，这里假定由宇宙膨胀引起的总体红移已被减去）。由于星系富有中性氢气体，AHM实际上是用这种气体的21厘米辐射来测量自转率，而不是用可见、红外、紫外等光学光谱，但原理是一样的。

到此为止都很顺利——但是仍旧需要测量光度，这就引起问题。这种技术的先行者B. Tully和R. Fisher原先测量的是蓝光范围的光度，但是这些短波长很容易被尘粒散射掉（就像蓝光被大气中的尘埃散射掉而使日落呈现红色那样），又因为尘埃是聚集在星系的盘面中的，所以这种散射对于以侧面朝向我们的那种星系发出的光尤为重要。如果说以正面朝向我们的星系可以设法减轻这种困难，那么要测量它们的自转率又要困难得多——直接监视自转会需要历时几千年的观测，因为像我们银河系这样的星系要用几亿年时间才转动一周。因此，使用Tuller-Fisher技术的初步尝试最终得出非常不同的结果，结果的差异只取决于对吸收作何种假设以及对星系倾斜的后果作多大修正。

现在，AHM试图通过测量红外波长的亮度来克服这些困难，因为在红外波长，光比较容易穿过尘埃。这还有一个优点：一个星系的大部分质量是低光度红色冷星的形式，因此红外观测接近于大部分质量几乎可见的波段（这里的讨论自然全部适用于可见的亮星系；有证据表明：以暗物质的形式分布于亮区以外的质量可能要多得多——这种证据的比重还在增长，见New Scientist，8 Nov. 1979，p. 436）。 AHM小组首先研究了几个近邻星系来校准他们的测量，根据对造父变星的测量把这几个星系的距离非常准确地确定下来，然后他们把注意力转向远处，终于迎来1979年年终前惊人的头条新闻。

至少Hanes并未对AHM关于室女座星系团——按真正的宇宙尺度来讲是一个相当近的近邻——的研究结果感到惊奇，因为测量结果所表明的到该星系团的距离比用球状星团法确定的距离只大14%，在两种方法的不确定程度以内相当一致。但是，因为AHM方法利用整个星系的光，而Hanes方法只利用星系以内某些星团的光，所以相形之下，AHM方法能探索到还要远的距离，它在那里揭示出根据室女座星系团定出的哈勃常数小于根据更远星系测出的哈勃常数。在天文学界引起“内行”最大兴趣的正是这一发现，而不是具有总体意义的较小的膨胀年龄。

另外有几种测量表明：我们银河系及其各个紧邻星系可能正以每秒几百公里的速度朝着室女座星系团方向坠落，这愈看愈像是我们银河系的“自行运动”就有如此之大，以致宇宙年龄的准确测量以及有关宇宙演化的各种结论都会要求在远远超过我们迄今所用的距离上作更大尺度的标绘。

AHM推出的膨胀年龄刚刚超过100亿年，这就临界到短得不能令人处之泰然的边缘了。我们关于恒星演化的最佳理论模型认为：球状星团中的恒星一一已知的最老的恒星大约刚好有这么老，也许还更老一些。Hanes认为：如果出现更多的证据来证明膨胀年龄确是如此之短，那么可能还需要对恒星演化过程从根本上重新思考——这种情况是有可能的。然而，那样的时刻毕竟尚未到来，除非到了由不同方法得出的估计值都分布在一狭窄得多的范围内的时候（Sandgge-Tammann的200亿年的估计值仍有它的拥护者），是不能把任何一种结果当作信条的。

—种完全独立的、原理上精确的测量宇宙年龄的方法，来源于对陨石之类的古老物质中所发现的放射性同位素衰变产物的研究。但是迄今为止，这种技术在实际应用中仍带有很大的不确定性，以致宇宙年龄的最佳估计值相当于在130到220亿年之间。这也许能说明AHM的估计值偏低，但是仍然过于分散，不能解决AHM和Hanes的结果与Sandage等人的结果之间的巨大分歧。

AHM和Hanes的研究都很简单，表明它们应只包含很少的误差，而这两种方法的一致结果也使人不容置疑。然而整个这项工作仍然产生一最迷惑的问题：究竟我们还必须向宇宙深入多远，真正的宇宙性效应才会完全压倒“局部性”的行为（如像我们银河系以每秒几百公里的速度朝着3000万光年以外的像室女座星系团那样的“近邻”的自行运动）呢？

[New Scientist，1980年3月，841 ~ 847页]

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*本文系J，Gribbin访问剑桥大学D. Hanes的报道。

** 如前所述，所谓“光度函数”意指星团数目按光度的分布。——译者