万物理论05·真相大白（星系距离与宇宙年龄）
著者：@太空生物学 / @天体生物学
上个世纪20年代以前，人们心中那个“静态的宇宙”几乎已经成型，然而哈勃的发现改变了这一切，“纯静态的宇宙模型”已经被两个新生的理论所替代，那就是——「大爆炸宇宙模型」和「稳恒态宇宙模型」。
我们可以有两个选择：可以选择「大爆炸宇宙模型」，它要求宇宙有一个创生的时刻，它的过去和未来有着天壤之别，有着有限的历史和未来，当然我们也可以选择「稳恒态宇宙模型」，它有着永恒的历史和未来。并且有连续的物质产生，「大爆炸宇宙模型」可以解释氢和氦的丰度，而「稳恒态宇宙模型」更容易被人们接受，它本质上却回到了永恒宇宙的保守观点。
我们都知道宇宙不可能既是静态的，也是动态的，这两个截然不同的观点着实让人们感到迷惑不解，到底宇宙是起源于那个轰动一声的爆炸，还是它一直就这样，也会永远保持这个样子呢？
图解：宇宙不可能既是静态的，也是动态的
宇宙学家是如何看待「大爆炸宇宙模型」与「稳恒态宇宙模型」的辩论呢？
在整个20世纪50年代科学界也被分裂了，1959年《科学新闻》快报进行了一项调查，要求33位杰出的天文学家公开他们的立场，结果显示11位专家支持「大爆炸宇宙模型」，8位支持「稳恒态宇宙模型」，其余14位要么不确定、要么认为这两个模型都是错的。
在宇宙的真相方面，两种模型都坚信自己是最强有力的竞争者，但双方都没有得到大多数科学家的广泛支持，「大爆炸宇宙模型」最大的优点是能够解释红移和膨胀，因为它本身就要求宇宙是动态演化的，「大爆炸宇宙模型」还预言了宇宙微波背景辐射，只是当时还没有被发现，「大爆炸宇宙模型」所面临的最大问题是——「时标困难」。
- 「时标困难」可以简单地理解为：“儿子的年龄比爸爸大，这样的谬论。”
根据哈勃的计算，宇宙的年龄应当是18亿年，而当时地质研究已经估计出一些地球上的岩石年龄为34亿年，这一定是哪里出了问题，不是宇宙的年龄出了差错，就是地球岩石的年龄计算有误，由于地球的年龄计算是通过同位素标记来计算的，这样的方法到目前为止也被认为是非常有效的，那么问题就很可能出在宇宙年龄的计算上了。
例如，如果远处星系的距离比哈勃估计的大，那么到达那个星系所需要的时间就比按目前距离估计的时间要长，这将意味着宇宙的年龄比现在估计的要大，或者如果星系退行的速度比哈勃估计的要慢，那么就需要更长的时间才能够到达该星系，这同样意味着一个更加古老的宇宙。哈勃作为那个时代最受重视的天文学家，以精准和勤奋为名，很难想象他的测量结果会出现问题，然而哈勃的测量还是出了问题。
第一个发现哈勃估算宇宙年龄有误的天文学家
沃尔特·巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade，1893年3月24日—1960年6月25日）。出生于德国，在德国上完了大学，但他的主要研究全部都是在美国完成的，1931年二战结束以后，巴德来到美国并开始了在威尔逊天文台的工作。天文望远镜都是有使用时间限制的，想要进行更多更细致的观测，就势必需要更多的望远镜使用时间，因此望远镜的使用时间是每个观测天文学家都想要争取的宝贝，很难想象一位天文学家能够几乎独享一台天文望远镜，但是巴德却做到了。巴德能够独享望远镜，不是因为他的本事比别人大、他的钱比别人多，也不是因为他是台长家亲戚，而是因为第二次世界大战。当美国加入二战后，天文观测和主要观测活动在很大程度上陷于停顿，因为战争来袭，即便是天文学家也要献身祖国，即使不上战场也要完成后勤保障任务，巴德作为一名来自德国的公民，在美国自然是不能和军队以及战争沾上一毛钱的关系的，不被抓起来限制人身自由已经是很不错的了，在其他天文学家都忙于二战的时候，巴德自然获得了更多的天文观测时间，二战时天文台附近的城市洛杉矶进行了暂时灯火管制，这样就大大降低了光污染，这对天文观测而言更是如虎添翼。
巴德在二战时对银河系的「天琴RR型星」进行了大量观测，积累了大量的数据，「天琴RR型星」是一种类似于「造父变星」的变星，它的亮度和周期之间也存在着关系，但是由于其亮度比较小，仙女星系的「天琴RR型星」无法被1000英寸的胡克望远镜所观测，但是巴德计算，如果一切正常的话，那么在1948年建成的200英寸的海尔望远镜中，必将首次观测到仙女星系的「天琴RR型星」，但是当巴德第1次使用海尔望远镜的时候，仙女星系的「天琴RR型星」却依然没有出现，这也让巴德开始怀疑哈勃计算的仙女星系的距离出现问题。
图解：天琴RR型星·计算方法
- 巴德找到了哈勃当年计算仙女星系距离所产生的错误：
哈勃对仙女星系具体的测量一直使用的都是「造父变星」，这是因为「造父变星」有一个非常有用的性质，那就是它的亮度变化的周期与其绝对亮度是成正比关系的，因此怎样测量「造父变星」的周期就能够获得绝对亮度，并根据测量得到的亮度推算它与地球之间的距离。
图解：仙女星系的「天琴RR型星」
之前人们认为恒星基本上都是类似的，只是质量大小有所不同，但巴德发现恒星的大家庭中存在两个不同的家族，巴德把它们分别称为——「星族一」和「星族二」。
较老的恒星属于「星族二」，在这些恒星瓦解之后，其碎片变成新的、年轻的恒星，也就是「星族一」的成分，「星族二」的恒星所含的氢、氦以外的元素非常低，往往只有「星族一」含量的百分之几，这就导致「星族一」的恒星和「星族二」的恒星它们在性质上有很大的差异。
图解：年轻的恒星
让哈勃万万没想到的是「造父变星」其实也不止一种，经典的「造父变星」质量较大，属于「第一星族」，还有一类「造父变星」叫做「第二型造父变星」，比较老且比较暗弱，属于「第二星族」。平均而言，「第二型造父变星」的绝对星等，比经典「造父变星」暗了1.5等。
当时哈勃可不知道「造父变星」有种类型，因此他就犯了这样一个错误——用本地较暗的「星族二」的「造父变星」与仙女星系相对明亮的「星族一」的「造父变星」作比较，这就导致哈勃错误地估计了仙女星系的距离。即，哈勃估计的距离要比实际的距离要近一些。
巴德找到了哈勃的失误，并对仙女星系的距离重新进行了计算，最终得到的结果是仙女星系的距离应当是哈勃计算距离的两倍，这个数字可不仅仅是两个星系的距离那么简单，到仙女星系的距离已经被用于估计我们到其他星系的距离，所以仙女星系的距离加倍就意味着到其他所有星系的距离都要加倍，所有星系距离的加倍，意味着宇宙的年龄计算也要修正，此时大爆炸模型下的宇宙年龄更改为36亿年，当时计算地球最古老的岩石年龄为34亿年，到此，“儿子的年龄比爸爸大的问题”得到了部分解决。「大爆炸宇宙模型」终于去除了成功路上的一块重要的“绊脚石”。
图解：银河系内的一颗造父变星:船尾座rs,哈勃空间望远镜拍摄
宇宙的年龄被再次增加了
认真的巴德第1次就将宇宙的年龄增大了18亿年，但是他的修正之路依然没有停止，在巴德的眼中，过去的一切测量数据都应当被再三检查，反复检验，这样的怀疑精神一直延续到巴德的学生那里，他的学生艾伦·桑德奇（Allan Rex Sandage，1926—2010美国著名天文学家）修正了巴德导师的测量，结果宇宙的年龄被再次增加了。
之前我们说到测量仙女星系的距离所使用的是「造父变星」，但测量更远的星系就不能使用「造父变星」了，在那么远的距离上已经无法检测到「造父变星」，现在我们可以使用「Ia型超新星」但那个时候还没有发现这样的超新星，那么在那个时代如何测量遥远星系的距离呢？
图解：超新星爆发模拟图
天文学家基于这样的一条假设来测量遥远星系的距离，那就是——仙女星系中最亮的恒星与其他任何星系里最亮的恒星一样亮，因此如果找到了一个遥远的星系，这个星系中最亮恒星的视亮度只有仙女星系中最亮恒星的视亮度的1/100，那么该星系的距离就被认为是仙女座星系的10倍，因为亮度和距离的平方成反比，尽管恒星的亮度差别很大，但用这种方法来测量距离不是没有道理的。比如，人的身高差异很大，但是如果我们随机选取1万个成年男人的样本，那么在这1万个男人中，最高的身高在不同的样本中也基本上是接近的，差不多都应当在两米左右，这个方法确实有一定的道理，但茫茫宇宙总有我们不知道的东西，在干扰着我们的观察和判断。
艾伦·桑德奇发现原来我们一直认为是某个星系中最亮的恒星，其实是别的东西，它不是恒星，而是巨大的云团，科学家一直在拿比恒星还要亮的云团与仙女星系最亮的恒星做比较来计算距离，而每个星系中最亮的恒星的亮度其实要比科学家之前的判断要暗一些，这样星系的距离又要变大，同时宇宙的年龄也要增加。艾伦·桑德奇经过重新的计算将宇宙的年龄增加到了55亿年，后来科学家也在不断地修正计算出来的宇宙年龄，并最终将宇宙的年龄确定在100亿年到200亿年之间。
「大爆炸宇宙模型」面临的问题还有很多
由于沃尔特·巴德和艾伦·桑德奇这样神一样的队友的助攻，「大爆炸宇宙模型」所面临的最严峻的问题，也就是「时标困难」已经不是问题了，但是「大爆炸宇宙模型」面临的问题还有很多。比如比氦更重的元素合成问题。尽管伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼都尽了很大的努力，但依然没有找到除了氢和氦以外，其他元素的原子形成机制。这次送上神助攻的是「大爆炸宇宙模型」的敌对阵营，最大的贡献者正是提出「稳恒态宇宙模型」的霍伊尔，你也许会问霍伊尔不是反对大爆炸理论吗？怎么会被对手送上助攻呢？
其实核合成问题是「大爆炸宇宙模型」「稳恒态宇宙模型」这两个理论共同面临的问题，「大爆炸宇宙模型」需要解释宇宙开始的时候，基本粒子是如何转变成不同丰度的、较重的原子的，「稳恒态宇宙模型」也需要解释星系退行时不断生成的粒子是如何转换成较重的原子的。
霍伊尔分析了不同类型的恒星的演化过程
恒星会经历一个非常漫长的稳定时期，通过将氢聚变成氦来产生热能，并通过辐射光能来耗散掉这些热量。恒星自身的引力与核聚变引起的向外压力相互抵消，恒星达到平衡状态，进入一种相对稳定的时期，这个时期称为恒星的主序星阶段，主序星阶段的时间长短主要与行星的质量有关，恒星质量越大需要与引力相平衡的核聚变也就越多，恒星的主序星阶段也就会越短，像太阳这样的恒星它的主序星阶段大概会维持100亿年，质量等于太阳质量5倍的恒星，主序星阶段的时间就只有7,000万年，而1/5太阳质量的恒星，主序星阶段是1万亿年，这比我们目前知道的宇宙的年龄还要大。
霍伊尔的研究从恒星进入晚年开始，也就是主序星阶段结束以后，当氢燃料即将耗尽的时候，由于燃料短缺，恒星必然会降温，温度的下降会导致向外的压力下降，引力的作用会变得更强，恒星开始收缩，这样引力坍缩导致恒星核心的密度和温度升高，此时恒星的燃料就会进行一次升级，由氢燃烧变为氦燃烧，由三个氦原子聚合成为一个碳原子，碳原子的数量毕竟是有限的，终究也会有燃烧完的一天，恒星的核心会再次冷却，恒星会再次因为引力而坍缩，坍缩后的压力和温度会升高，恒星就会使用其他的燃料。比如氦燃烧完就变成了碳燃烧，碳燃烧的结果是生成氧16，氖20和镁24，恒星的晚年就在这样地燃料短缺、压缩、升温、升压、燃料升级燃料，再次短缺这样的循环中度过，这样的死亡无疑是壮丽的，特别是部分恒星在其死亡的最后一刻会成为一颗「超新星」，仅它的亮度就能够达到100亿颗恒星的亮度，并能够将恒星内部合成的重元素抛洒到宇宙空间中成为组成下一代恒星、行星还有你和我身体的元素。
霍伊尔着手分析了不同类型的恒星的演化过程，经过几年的专门研究，他成功地完成了对不同恒星在其接近寿命终点时所发生的所有温度和压力变化的计算过程，最重要的是，霍伊尔还制定了每个恒星在濒临死亡时的核反应，给出了极端温度和压力的不同组合是如何导致一系列中等质量和重原子核的产生，每种质量的恒星都可以作为不同元素的融炉，因为恒星在其寿命完结和死亡的过程中，内部发生着巨大的变化。
霍伊尔的计算甚至可以说明今天我们所知道的几乎所有元素的准确丰度，可以解释为什么氧和铁是常见的，而金和铂金是罕见的，如此一来宇宙「元素丰度」的问题，算是得到了部分解决——比氦更重的元素大多来自于恒星内部的核合成。
但是有一个问题还让我们忽视了，之前我们讲到比氦更重的元素的合成路径是伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼三人怎么也绕不过去的“坎”，这个“坎”对霍伊尔依然存在，他虽然在恒星氦燃烧阶段提出氦燃烧可以生成碳，但霍伊尔所见，几乎没有什么可行的途径使得氦能转化成为碳，如果氦转化为碳的途径不存在，那么后续的一切核合成全部都称为无稽之谈了，所以伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼面临的问题，霍伊尔也还是要解决的，那么重元素的合成之路到底应当如何解决呢？咱们下回分解。
未完·待续......06
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