宇宙距离阶梯与哈勃常数

天文学家通过将视差到标准烛光等重叠方法串联起来，以校准宇宙的膨胀率（即哈勃常数）来测量宇宙距离。

Definition

宇宙距离阶梯是用于测量从近到远天文距离的一系列相互校准的技术，结合红移，可以从中推导出哈勃常数，即宇宙当前的膨胀率。

Scope

本主题涵盖了距离阶梯的各个“梯级”，包括三角视差、造父变星周光关系和Ia型超新星作为标准烛光，以及各梯级之间的交叉校准，从由此产生的距离和红移中确定哈勃常数，以及影响每个步骤的系统不确定性。

Core questions

• 如何测量跨越多个数量级的距离？
• 为什么造父变星和Ia型超新星作为标准烛光很有用？
• 哈勃常数是如何提取的，其主要不确定性是什么？

Key concepts

• 三角视差
• 造父变星
• 周光关系
• Ia型超新星
• 标准烛光
• 哈勃常数
• 距离模数

Key theories

周光关系

造父变星的脉动周期与其固有光度密切相关，因此测量造父变星的周期可以得出其真实亮度，进而得出其距离，为距离阶梯提供了一个关键梯级。

标准烛光

Ia型超新星在标准化后具有几乎一致的峰值光度，这使得可以根据视亮度推断它们的距离，并将距离阶梯延伸到哈勃流深处。

Mechanisms

视差法给出附近恒星的几何距离；这些距离校准造父变星，造父变星再校准超新星宿主星系，超新星宿主星系反过来校准哈勃流中遥远的超新星，通过将退行速度除以距离即可得出哈勃常数。

Clinical relevance

精确的距离测量是观测宇宙学的基础：校准后的哈勃常数设定了宇宙的绝对尺度、年龄和能量预算，而局部宇宙和早期宇宙值的比较已成为探测标准宇宙学模型的核心手段。

History

利维特在1912年左右发现的造父变星周光关系使得河外距离变得可测量；哈勃空间望远镜和Ia型超新星经过数十年的改进，将哈勃常数的不确定性缩小到百分之几，从而加剧了与从早期宇宙推断出的值之间的张力。

Debates

哈勃张力

通过距离阶梯确定的哈勃常数比从宇宙微波背景推断出的值高出几个标准差，引发了关于其原因究竟是未被识别的系统误差还是真正的新物理学的争论。

Key figures

• Henrietta Swan Leavitt
• Edwin Hubble
• Allan Sandage
• Adam Riess
• Wendy Freedman

Seminal works

• leavitt1912
• riess2022

Frequently asked questions

为什么称之为“阶梯”？

每种方法都在有限的范围内有效，并使用其下方的方法进行校准，因此距离是逐级建立的：视差校准造父变星，造父变星校准超新星，超新星则延伸到遥远的宇宙，就像爬梯子一样。

为什么哈勃常数的测量值存在分歧？

局部距离阶梯得出的值高于假设标准模型下的宇宙微波背景分析结果；这是否反映了细微的测量误差或我们宇宙学理论中的空白，仍然是一个悬而未决且正在积极研究的问题。