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德沃古勒来自法国,一度在澳大利亚工作,研究南半球的星空,最后去了德克萨斯大学,以对星系特别是椭圆星系的研究而著名,椭圆星系的表面亮度随着到星系中心距离的1/4次方下降就是他发现的,并被称为德沃古勒定律(de Vaucouleurs’ law) 。最初,他作为星系分类的研究者与阿伦关系不错,他改进了对椭圆星系的哈勃-桑德奇分类,因此阿伦曾邀他到帕萨迪纳访问,并给他看哈勃分类的原始资料以帮助他理解这一分类方法,当阿伦被德国的物理学手册 (Handbuch der Physik)丛书邀请撰写一篇关于星系分类的文章时,因为自己太忙而推荐了德沃古勒,并给他寄去自己正在编辑的哈勃星系图册的校样供参考。但德沃古勒误解了,他没有征求阿伦的意见而把校样中的照片印在物理手册中。阿伦非常生气,因为这些结果还没有发表过。这件事经调解和解了,但双方关系已产生了裂痕。
Gerard de Vaucouleurs(1918-1995),与桑德奇进行论战的天文学家
从另一方面说,桑德奇是哈勃的弟子,使用世界最大的望远镜,代表正统的宇宙学,发表的论文被奉为圭臬甚至被新闻媒体所关注。而德沃古勒自感是个外来者,从未获得使用大望远镜的机会,他对此耿耿于怀,而对于阿伦所代表的正统宇宙学理论他也颇有怀疑。
德沃古勒质疑正统的关于宇宙是均匀、各向同性的观点。关于宇宙是否均匀的问题,长期以来就有争论。爱因斯坦提出了宇宙学原理——宇宙在大尺度上均匀、各向同性,从而大大简化了理论研究,但这是他的猜想而并非依据观测,因此这一猜想是否正确最终需要观测验证。哈勃在确认了河外星系的存在后,就打算研究星系的空间分布。他研究了威尔逊山天文台以往的底片,认为这些在不同条件下拍摄的底片太不均匀,不适合这一研究,因此在1926-1931年间进行了系统的、以同一标准进行的照相巡天,拍摄了900多张底片。当然,在这种巡天中我们看到的只是星系的二维分布,星系的三维分布——也就是星系到我们的距离是不知道的,因此两个看上去像是挨在一起的星系我们并不知道是否真在一起。哈勃使用统计学方法进行了研究,他根据这些数据得出结论说星系确实是均匀分布的。哈勃的老对手夏普利(Harlow Shapley)(夏普利原来在威尔逊山,但后来他去哈佛天文台任台长,这未必是个好的选择,因为哈勃接替了他原有的位置并利用威尔逊山的大望远镜在接下来的几年里做出了好多重大发现)则分析了哈佛天文台原有的大量底片,他发现较亮的星系在分布上不完全均匀,不过他使用的数据是从以往的档案中拼凑出来的,不象哈勃的观测那样均匀,因此这些所谓不均匀性是否真实存在并不完全清楚。德沃古勒分析了夏普利-艾米斯(Shapley-Ames)星表中的星系分布数据,他发现比较亮的星系都排列在天球的一个窄带上,因此他认为从银河系直到室女座星系团外有一个巨大的所谓本超星系团(local supercluster),这是一个巨大的、扁平的星系高密度区,星系的分布有高度的不均匀性,爱因斯坦所说的宇宙的均匀性只在极大的尺度上才有可能实现,而在当时(50年代)可以观测的尺度上,德沃古勒认为星系分布根本不是均匀的。
德沃古勒的这一观点在很长的时间内被天文界所忽略,没有人去直接反驳他,但事实上几乎没有人相信他。直到80年代,人们完成了大范围的星系红移巡天(CfA红移巡天),可以直接看到星系的三维分布,才证实德沃古勒的观点:甚至在上亿光年的大尺度上星系都还不是均匀分布的,呈现出许多空洞和纤维状的结构,只有到几十亿光年的尺度上星系分布才变得均匀。这些冷遇使德沃古勒感到,这是因为他是个小人物、外来者。不过,在一定程度上德沃古勒描述问题的方式也不够清晰,正如他自己说的,连乐于打破常规、喜欢新鲜想法的茨维基也不能接受他的观点。
近邻星系的不均匀分布,图中每个亮点是一个星系,可以看到很多超星系团(supercluster)和空洞(void)被分别用绿色和红色文字标明
德沃古勒宣称存在的超星系团会使哈勃常数的测量变得非常复杂,因为只有在超星系团以上的尺度,宇宙的膨胀才是均匀各向同性的,而在较小的尺度上,各个方向膨胀是不均匀的。早在1957年,德沃古勒就告诉过桑德奇这一观点,桑德奇听后立刻说,如果这样还怎么能测量宇宙学参数呢?因为这些不均匀性必然会导致在较小距离上,星系的运动偏离哈勃定律预言的均匀各向同性,而在均匀性更好的大尺度上进行观测要求更远的距离,这总是很困难的。对于一个把测量哈勃常数当中自己终身任务的人来说,肯定不情愿接受这样的观点。作为哈勃的弟子,阿伦倾向于相信宇宙是均匀的,而且这也不能说是盲信:从50年代开始,阿伦在测量红移--距离关系的时候就在仔细检查观测数据中是否有各向异性,他从未发现过显著的各向异性,因此他不相信德沃古勒的说法。在70年代初发表的论文中,他指出在哈勃常数测量数据中并没有看到德沃古勒所说的各向异性。因此,他以及当时其他许多天文学家,认为德沃古勒的理论分析有错误。
以我们今天的观点回头看这些争论,在当时所涉及的尺度上,星系的分布确实不均匀,这一点德沃古勒是对的。但是,引力的不均匀性没有密度不均匀性那样强。更重要的是,除了不均匀分布的物质以外,宇宙中2/3以上的密度来自均匀分布的暗能量,所以宇宙总密度又没有星系密度那样不均匀。因此,不均匀性对星系运动速度的扰动没有那样强烈,这使阿伦等人在观测中并未发现宇宙膨胀有显著的各向异性,也难怪他们不相信德沃古勒。
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GMT+8, 2024-10-13 16:50
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