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距离阶梯和宇宙膨胀(一)——哈勃定律的发现?|?赛先生天文

http://www.smcyw.com时间:2016-07-19 15:32来源:中国IT观察网

  (图片作者:Matipon Tangmatitham)

  天文学家如何测量出无法触摸的遥远天体的距离?宇宙膨胀是怎么被发现和精确测量的?为什么有新闻说宇宙膨胀得比预期快9%?这意味着爱因斯坦的宇宙学常数模型错了吗?

  作者李然(国家天文台)

  故事开始的那年

  1928年的一天,美国威尔逊山天文台的天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)询问他的观测助手赫马森 (Milton L Humason):“你是否愿意和我一起试验一下测量星云的红移?” 这一年哈勃39岁,已经是美国科学院最年轻的院士。4年前他测量了一系列星云的距离,这些测量使人类第一次确定,银河系并非宇宙的全部,夜空中的漩涡星云实际上是一个个和银河一样璀璨的恒星世界,也就是所谓的”河外星系”。这个伟大的发现为他带来了巨大的声誉。当他和妻子在欧洲旅行的时候,处处受到人们的欢呼,好像他们是皇家贵族。频繁社会活动使得哈勃亲自爬上望远镜的时间减少,却没有减少他对星系世界奥秘的渴求。在欧洲的旅行中,哈勃获得了灵感,开始酝酿一个新的观测计划。

星云的红移

  所谓红移是指星系光谱的移动。星系发出的光并不是单色的,而是由不同波长的光组合成的。光束能量在不同波长的分布就称作光谱(图1)。 如果星系相对地球有运动,按照多普勒效应,星系的光谱会发生移动。当星系朝向地球运动,它发出来的光,波长会变短一些;如果星系远离地球而去,它发出来的光,波长就会变得长一些。在光学天文领域,天文学家习惯将短波长方向称作蓝端,而将长波方向称作红端。因此,星系光谱的变化就被对应的称作“红移”或者“蓝移”。

  

  图1 星系的红移和蓝移示意图。当星系向观测者运动,光谱会向蓝端移动,反之则向红端移动。光谱中间的黑线是一条吸收谱线,在静止坐标系里谱线的位置完全由原子物理决定,它可以作为测量光谱移动的探针。

  早在1914年,美国天文学家斯里弗(Vesto Slipher)就宣称,夜空中的星云都在远离地球而去,因为它们的光谱普遍存在光谱红移的现象。而且,斯里弗发现越暗的星云远离太阳系的速度就越快。但是在1914年斯里弗还无法确定星云的本质是什么,也就无法确切地阐释这一现象的原因。在进行了十几年的研究后,被测量误差困扰的斯里弗不得不放弃了这个领域。1928年,由于哈勃的工作,天文学家已经知道了星云其实是银河系外的恒星世界。测量星云红移 (或者应该正确的称作河外星系红移)就是测量星系远离银河系的速度。在哈勃看来,这种研究将为绘制河外空间的疆域提供重要线索。

  哈勃知道自己具有两个斯里弗不具备的优势。首先,哈勃有办法测定河外星系的距离,因此他可以研究河外星系红移和距离之间的关系,而这对探索宇宙的结构具有重要的意义。哈勃的第二个优势是他可以使用当时世界上最好的望远镜——威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。当时科学界对斯里弗工作的数据质量比较怀疑,猜测他观测到的红移可能不够准确。胡克望远镜远比斯里弗使用的洛厄尔天文台望远镜强大,因此哈勃不但可以比斯里弗拍摄更暗的星系,而且可以以更高的精度获得红移。

  事实上,哈勃还有第三个优势,那就是赫马森的经验。拍摄星云的光谱,需要长时间的曝光,对天文学家的观测技巧和耐心要求很高,而赫马森是威尔逊山天文台最优秀的观测天文学家。赫马森14岁辍学,没有受过高等教育,开始是以杂工的身份加入威尔逊山天文台,但他高超的望远镜操作能力很快折服了天文台的天文学家沙普利 (Harlow Sharpley) 和台长海尔(George Hale),成为了正式的驻站观测人员。在过去十几年里,威尔逊山天文台最重要的观测结果都有他的功劳。哈勃自己当然也是一个优秀的观测家,但是现在他已经慢慢离开观测第一线,赫马森就成了保证他计划成功的重要一环。

宇宙的距离阶梯

  让我们来简单回顾一下天文学家测量天体距离的手段。

  天文学上最准确的距离测量来自于视差法(图2)。地球在公转轨道上运行的时候,近处的恒星会因观测者视线方向的变化而产生相对恒星背景的位移。观测者通过观测目标天体在一年中相对恒星背景的变化,就可以通过三角法计算出目标天体的距离。但是视差法无法测量非常远的天体,那些天体在天球上的移动太慢了。例如哈勃当初就无法用视差法测量河外星系的距离,而不得不使用造父变星测距。

  

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