您当前的位置: 首页 >  博客资讯

星光来自很多光年外,科学家凭啥知道,会是随意瞎猜的吗?

看了网上一些帖子和评论,有这种想法的网友很多,他们根本不相信那些遥远的星光来自几十几百甚至几十亿上百光年以外,认为科学家们也是随意瞎猜,糊弄人的。

就像人的头发,有人就故作高深地说你的头发有100238根,不信你就数数看。你说多少就是多少呗,谁数得清啊?即便头发能数清,这么几十几百亿光年距离有什么法子去丈量呢?谁能证明是真的呢?要知道1光年距离大约有9.46万亿公里,100亿光年就是946万亿亿公里呀。

由此,许多人根本不信这些天体真的有那么远,或者那么精确地知道有多远。其实有这种担忧的人真是多虑了,他们不知道现代天文学经过几百年发展,对天体距离测量已经有了许多成熟的方法。人们把这些方法输入到计算机,并且与各种望远镜结合起来,早就不需要掰着指头计算了。

一旦某个天体被望远镜捕捉到,经过已经建模的程序计算,很快就会得到它的距离和元素成分、光度、质量等基本参数了。过去时空通讯也多次大略说过这些方法,今天就再详细说说比较常用的一种方法~光谱红移。

测量远方星系用得较多的方法是光的多普勒效应。

多普勒效应是奥地利科学家克里斯琴・约翰・多普勒在1842年发现并创立的一个理论,叫这个名称就是为了纪念他。这个理论的主要内容是,波源的波长会随着运动方向对应观测者发生改变,向着观测者运动的波源,波会被压缩,波长会变短,频率会变高;反之则会出现相反的效应。

声波就是一个很明显的例子。当一列火车高速向你靠近时,你听到的鸣笛声会更高昂,而离你远去时,听到的笛声就会变得低沉。这就是声波受到压缩变短和受到拉伸变长,频率随之变化的效应。所有的波都有这种特性。

光是由不同波段电磁波组成,分为可见光和不可见光。可见光是由不同波长的七色光组成,波长约在380nm~780nm之间,其中红光波长最长,约在640nm~780nm,蓝光波长最短,约在380nm~430nm之间。当光源向观测者高速靠近时,由于波长被压缩变短,因此光谱会向蓝端移动,简称为蓝移;反之向红端移动,简称为红移。

哈勃定律是测量远方天体距离的标尺。

1929年,美国著名天文学家发现了宇宙的一个重要规律,就是宇宙在膨胀,宇宙中所有远方星系都在离我们而去,而且各向同性(所有方向是一样的),越远的星系离开得越快,离开的速度与距离成正比例线性关系。他的这个发现首先得到了爱因斯坦的证实,渐渐成为天文学界的一个共识。

哈勃由此创立了哈勃定律,简单表述为:V=H*D。这里的V表述远方天体的退行速度,单位为km/s;H为哈勃常数,就是百万秒差距位置的星系退行速度,单位km/(s・Mpc);D为目标星系相对地球的距离,单位Mpc。这里的Mpc为百万秒差距单位,1秒差距约等于3.26光年。

哈勃定律公式可变换为:D=V/H,也就是知道了目标天体的离开我们的速度,就可以计算出这个天体与我们的距离。这里面有一个哈勃常数H,是通过科学测量得到的。十多年来,科学家们通过各种方法和设备仪器,测得的哈勃常数在67.8~82.4之间,我们取一个中间值,约为75.1。也就是说在距离我们326万光年的位置,那里的星系离开我们的速度为每秒75.1km。

红移量是确定远方天体距离的准星。

可见光通过棱镜色散,就可以得到分为不同波长颜色的彩色图案,这个彩色图案就叫光谱图。任何天体发出的光都会有自己的光谱图。因为恒星的气体会吸收某些波长的光,而每一种元素都会产生特定的吸收线,天文学家们通过研究某个天体光谱图中的吸收线,就可以得到这个天体是由哪些元素组成的。

天文学家们将发现的天体光谱图中吸收线的位置,与实验室光源下同元素吸收线位置相比较,就能够得到这个天体的红移或者蓝移量,而红移和蓝移量的大小是与速度成正比的,蓝移量越大,光源向我们奔来的速度越大;红移量越大,则光源离我们远去的速度越大。

计算红移和蓝移量的公式为:红移量Z=(λ’-λ)/λ,其中λ’是红移光源的波长,λ为实验室光源的波长;蓝移量Z'=(λ”+λ)/λ,其中λ”是蓝移光源的波长,λ为实验室光源的波长。得到了红移量后,就可以计算出新发现天体离开我们的速度,公式为:V=ZC,这里V为远方星系退行的速度,Z为红移量,C为光顾。

有了红移量这个准星,就能够计算出天体与我们的距离。

知道了某个新发现天体离开我们的速度,就可以根据哈勃定律计算出它与我们的距离了。比如我们得到这个新发现天体的红移量为0.08,代入公式V=ZC,可以得出它的退行速度为V=0.8*300000=24000km/s;再代入哈勃定律公式D=V/H,就得到了这个新发现天体与我们距离为:D=240000/75.1≈319.6Mpc,换算成光年约为10.42亿光年。

由此就知道了这个新发现天体距离我们约有10.42亿光年,这个天体的光就是经历了10.42亿年的漫长时间奔波才来到我们的眼前,我们看到的这个天体也就还是10.42亿年前的样子。由于它一直在非常快的离开我们,而且会越远越快,现在这个天体早就到了更远的地方了,现在是什么样子,就要再过现在它距离我们光年的相等年数后,我们才能看到。

这里提示两点:其一,这种宇宙空间大尺度的测量,并不是非常精确,有一定误差,这种误差都是以光年来计算的;其二,宇宙膨胀是大尺度膨胀,因此用红移量确定天体距离越远才越准确,至少要距离我们326万光年以上的天体,才能采用哈勃常数计算。而距离我们较近的天体,由于引力相互作用,还有不断靠近的趋势,哈勃常数无效;其三,采用哈勃定律计算距离的光谱红移主要是视向多普勒红移,但天体红移量还会受到横向红移、引力红移、多重星系反常红移等的干扰。

由于这些不确定因素,在利用红移量测定遥远天体距离时,要充分考虑相对论效应,同时还需要与其他测量方法相互印证,才能得到更精确的数据。

天体距离的测量还有很多方法。

几百年来,科学界已经总结出了很多天体距离测量方法,比较常见的有三角视差法、造父变星法、la超新星法等。

三角视差法:这是最古老的测量方法,这是运用几何原理,把要观测的天体与已知的附近天体,如地球和太阳,连成一个虚拟的三角形,以已知的一个边长和一个角度,就可以求出另外两个边长的长度啦。这种测量一般用在比较近距离的天体才精确,距离太远的天体夹角太小,很难精确测量。

造父变星法:宇宙中存在着一些高光度周期性光变的变星,它们的光变周期很有规律,具有周期性光变关系。这种关系是越亮的变星光变周期越长,反之就越短,亮度相等的变星具有相同光变曲线。这样科学家们不管这颗变星距离多远,只要通过其光变周期,就能知道其亮度了。

科学家们通过用其它方法测量出近距离变星的准确距离,再根据变星亮度对比就能够知道遥远位置同等变星的距离了,进一步就得到变星所在星系以及附近天体的距离。因此造父变星又被称为量天尺。

la超新星法:这种方法和造父变星法差不多,只不过是利用超新星来测量距离。超新星有很多种,其中有一种叫做la型超新星,是白矮星经过吸积到达太阳质量的1.44倍时,也就是到达钱德拉塞卡极限,就会发生大爆发,之后坍缩成一颗中子星。

因为这种超新星爆发时的质量几乎一样,所发出的能量也就一样,因此亮度也是一样的。同等亮度的天体,具有越近越亮,越远越暗的线性关系,这样只要测得的这颗超新星的视星等,就知道它距离我们多远了,从而也知道了它所在的星系和附近的天体的距离。

这种方法人们把它称之为“标准烛光”,它就像点燃在黑暗宇宙中的一支支亮度相等的蜡烛,让人们从感受到的亮度计算出其距离。还有许多种方法测量天体距离,现代对比较近的天体采用激光测距、雷达波测距等等,这里就不一一解释了。

如果喜欢我的文章,请关注支持。感谢阅读,欢迎讨论。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。