可否定义一个文明无关的天文尺度的距离单位？
2024-11-19 阅读 8
更新于 2024年11月21日
宇宙学红移。
星系彼此远离，由于多普勒效应，这种运动导致这些星系发射的光向光谱的红色端移动，这种现象被称为“红移”。而光谱取决于原子的精细结构，比如射电天文学常用的中性氢的21cm线，来自于1s基态氢原子的两个超精细结构之间，频率是1420.40575177 MHz，相当于在真空中波长 21.10611405413 cm。根据测量到的红移量结合多普勒效应的计算式，就可以算出恒星远离的速度，而由于哈勃关系的存在，这个退行速度又对应相应的距离。
红移的定义本身是无量纲的观测值，z=△λ/λ。λ表示波长，△λ表示波长变化。所以不管如何定义波长单位，这个值对应特定天体，显然是不会随单位定义的变化而改变，观测使用哪个原子光谱特征线也是不影响的，要红移所有谱线都是一样的比例关系。
宇宙学红移作为距离单位缺点也非常明显，一个就是红移对应的距离是非常大的尺度，目前观测到的z=11的最古老天体（好像是个伽马射线暴），距离基本就接近宇宙视界半径了，也就是134光年的光行距离。而大部分比较近的河外天体（也有几百万光年），红移值往往都是小数点后，甚至好几位。
另一个就是由于相对论效应，红移对应的星系退行速度，以及通过哈勃关系对应的距离，并不是一个线性关系，尤其是红移较大的时候，只能在较近距离上则可以近似线性。
还有个麻烦就是哈勃常数是随宇宙年龄变化的（加速膨胀），基于微波背景辐射的早期宇宙学哈勃常数和基于星系标准烛光（如α超新星）观测的当前宇宙学哈勃常数不一致（哈勃常数危机），所以红移对应的距离无法很精确。百度百科里的哈勃常数就列有好几个数值，其中欧空局2013年的测量值67.80±0.77(km/s)/Mpc（普朗克卫星基于微波背景辐射）；另一个则是22年NASA科学家算的73.4(km/s)/Mpc差距（基于α超新星观测）。
计算星系的退行速度，有两个公式：z=v/c ，v是星际退行速度，c是光速。这个公式适用于v星际退行速度较小时。 z=(c+v)/(c−v)−1 这个公式适用于v星际退行速度接近光速时。
相应的计算星系的距离，较近的用Z = H*D /c，H为哈勃常数，D为距离。在超远距离上，也就是红移较大的时候，有Z＝ln[R/(R-D)]。R为宇宙视界半径。哈勃常数和宇宙视界半径可以认为是基于观测的宇宙学常数，即使测量单位改变，相应的物理意义也不会有变化，但是由于前面提到的原因，两个值都不太准确。
除了红移，宇宙视界半径本身也可以作为距离的基准值，实际上天文学是使用Z倒算R的。哈勃常数的量纲实际是s-1，和光速结合，比如c/H，也可以作为距离的基准值。但这两个都不如红移来的简单直观。
