通过对离地球较近的Ia类超新星的进一步研究,我们了解到这些超新星爆发的固有亮度可以由它变暗的速度来测定。越明亮的超新星,放出的光芒就越持久。由于这些离我们较近的超新星距地球的距离可以通过其附近星系来标定,因此我们可以通过对它们的观测,来校订远方超新星的固有亮度。这好比在学会了如何读出灯泡上的标记之后,无论距离多远我们都能知道这个灯泡是多少瓦的。同时,因为我们已经知道物体的视觉亮度是如何随距离变化的3,因此能通过对比远方超新星的视觉亮度和固有亮度,来推断出它到地球的距离。
对远方超新星的研究,是测量宇宙膨胀速率中至关重要的一环。在一个不断膨胀的宇宙中,物体远离的速率和它距观察点的距离息息相关。事实上,物体离我们越远,其退行速度就越快。因此,在已知退行速度和距离的函数关系后,我们就可以据此推算出宇宙的膨胀速率。4退行速度的测量比较简单,一般可以通过天体光谱的红移率得出(见第7章),而测量距离相对而言则困难得多。
在埃德温·哈勃最初的宇宙膨胀实验中,他选择了一类特殊的恒星作为距离标尺。5这些被统称为造父变星(Cepheids)的恒星,遵守严格的明暗变化规律。通过研究银河系中的造父变星,人们发现它们明暗变化的规律与其固有亮度有关。哈勃挑选了24颗这类恒星作为观测对象,通过它们的明暗变化周期估算出其距地球的距离(周期代表固有亮度;将固有亮度和视觉亮度对比即可得到距离),并将这些数据和恒星各自的红移率[已经由其他天文学家给出,如维斯托·斯莱弗(Vesto Slipher)和米尔顿·赫马森(Milton Humason)]进行比较。红移率和距离的对照分析结果是惊人的:更遥远的恒星(以及它们所属的星系)确实在以更快的速度离我们而去。距离远一倍的,其退行速度也快一倍。令人遗憾的是,哈勃那时参考的造父变星数据是错误的。(例如,直到20世纪50年代我们才知道造父变星可以分成两类,而不同种类的明暗周期与亮度的关系是不同的)。由于这些错误,哈勃得到的距离出现了较大的偏差,并导致他给出的宇宙膨胀速率是实际值的7倍。
随着距离测量越来越精确,宇宙膨胀率也逐渐被修改至今天的数据。在哈勃太空望远镜“关键”计划(Hubble Space Telescope Key Project)实施后,我们于2001年得到了现今被广泛接受的宇宙膨胀率。6在温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)的领导下,哈勃太空望远镜团队观测了13亿光年以内的多颗超新星。把它们作为标度光源,研究人员在10%的误差范围内,发现宇宙空间正在以72公里每秒每百万秒差距(kilometers per second per megaparsec)的速度膨胀。在这一速度下,一个距我们1亿光年的星系将以每秒1 372英里(约2 208公里)的速度远离我们。而距我们2亿光年的星系,其速度还将加倍。
