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仙女星系距离90万光年?为什么哈勃测量的误差这么大?

20世纪初,人们对天空中看到的螺旋星云就产生了分歧,威尔逊山上的天文学家认为这是“原始恒星”,汉密尔顿山上的天文学家认为这是遥远的星系

双方代表沙普利和柯蒂斯,还为这事专门坐火车去华盛顿,进行了一场大辩论,精彩程度丝毫不亚于爱因斯坦和玻尔的世纪论战,那么一个争论的是,我们世界的本质性问题,那么一个争论的是,我们这个宇宙大小的问题。

当时沙普利和柯蒂斯都列举了让对方无法解释的观测证据,所以两人谁也没占到便宜,不分胜负。

那么在他们列举出的证据中,有一项非常奇怪,也就是1912年天文学家斯莱弗发现,这些星云的运动速度非常快,有些速度甚至能达到每秒几千公里,而银河系内的天体平均的运动速度也就是每秒几十、几百公里而已。

这还不是最奇怪的,最令人费解的是,这些星云大部分都在远离我们,这是咋回事?当时的人们并不知道。以上的这些我在上个视频中有详细的介绍,有兴趣的朋友可以回看一下。

今天我们将迎来真正的天文学家,河外天文学的开创者,埃德温・哈勃。它的观测和发现解释人们的困惑,并且把我们带入了一个庞大而又膨胀的宇宙当中。

埃德温・哈勃,1889年出生,美国人,在他成长的那个年代,天文学家并算不上是一个正经的职业,除非你特别有钱,可以把兴趣爱好当饭吃,那就另说了。

可惜的是哈勃就是一个普通人家的孩子,他只能把天文学当做课余爱好,在父亲的要求下他学的是法律专业,1910年哈勃有幸获得了罗兹奖学金,有了去英国牛津大学留学的机会。

在牛津大学他学的依旧是法律,天文学完全是抽空自学的。在英国的3年间,哈勃最大的变化,就是完全被英化了,口音也变成了英国口音,喜欢穿粗呢大衣,年纪轻轻就烟斗不离嘴,一幅老派、典型的英国风。

很明显哈勃很喜欢英国,要不是他的父亲在1913年去世哈勃估计就定居在英国了。哈勃在回到美国以后,为了偿还父亲临终前欠下的债务,就教了一段时间书,在这之后他就完全抛弃了跟法律有关的所有想法。全身心投入到了天文学当中。

哈勃先在芝加哥的叶凯士天文台找到了一份工作,之后1920年才来到了威尔逊天文台,前面的文章说了,威尔逊山上的天文学家大部分支持沙普利的原恒星观点。

但哈勃一直以来都保持着中立的态度,他想搞清楚这些螺旋星云到底是啥,所以就制定一份研究计划,主要就是观察螺旋星云附近出现的新星,因为在“大辩论”中,柯蒂斯就说,在螺旋星云所在的天区中出现新星的概率要高于其他天区,而且这些新星的亮度要比其他天区出现的新星的亮度要暗。

哈勃就觉得这一点非常的重要,所以就大量的观测和收集这些新星的数据。好,相信你已经产生了一个疑问,啥是新星?难道是超新星?不是的,超新星一般有两种Ⅰa型超新星和Ⅱ型超新星,也称为核坍缩超新星。

那么Ⅰa型超新星出现有两种情况,两颗白矮星相撞就会爆发Ⅰa型超新星,或者是一颗白矮星大量、快速地吸收了伴星的物质,导致质量在短时间内超过了1.4倍的太阳质量,这是钱德拉塞卡极限,就会导致核心再次点燃核聚变,发生爆炸。这也是Ⅰa型超新星。

Ⅱ型超新星就是我们常说的超新星了,说的是恒星在死亡以后,它的核心猛烈地坍缩成中子星或者是黑洞的时候,就会爆发超新星爆炸。这就是Ⅱ型超新星,所以叫它核坍缩型超新星。

这里我们说的新星是另外一种情况,假如一颗白矮星,很缓慢、很温柔地从它的伴星哪里偷氢气的话,当最外层的氢达到一定的质量就会很温和地燃烧,这时我们就会在天空中看到一颗恒星突然增亮了,过段时间以后又慢慢地消失了,然后它又开始在最外层攒氢气,这个过程一般最短的也需要几十年的时间,当然几百年、几千年的也有,这就是新星爆发的原理。

那么哈勃在寻找新星的过程中,一直都在关注M31星系附近之前出现过三颗新星的位置,这三个新星,有一个位于星系的边缘,一个位于星系盘面的附近,一个位于他俩的中间。

1923年10月6号的晚上,哈勃又看到了一颗新星出现在了M31附近,他发现这颗新星和之前出现新星的位置一模一样,它马上就认识到了这不是一颗新星,因为我刚才说了新星爆发以后是不会在短时间内再次出现的。

而这个新星距离上次出现才过去了31天的时间呀,那这是啥?你想一下,我相信很多人都猜对了!这是一颗变星,而31天正是它的变光周期。

这张底片就是当天晚上哈勃拍摄的,红圈圈住的三个地方就是刚才说的三颗新星的位置,最上面的那个就是哈勃再次看到的新星,但此时哈勃已经意识到了,这根本不是新星,所以它在底片上划掉了代表新星的字母N,用红笔写下了代表变星的VAR,还附带了一个感叹号!

这个感叹号就可以看出,哈勃当时有多兴奋了!因为发现了变星就意味着可以测量距离了。上节课我们说过,只要知道了变星的变光周期,就能知道它的本征亮度,然后再测量它的视亮度,我们就能通过简单的平方反比关系,算出这个变星跟我们的距离。

那么当时哈勃根据这颗变星算出M31肯定在银河系之外,因为它距离我们90万光年,很明显比银河系的范围大了很多。

哈勃的这个观测就平息了人们之间的争论,我们的宇宙不仅仅有银河系,在银河系之外还有很多的星系,这些星系就像大海中的岛屿一样,漂浮在深邃的宇宙空间中,人类的宇宙观一下从沙普利10万光年的尺度,扩展到了数百万光年。

在随后的几年中,哈勃观测了更多的螺旋星云,没有例外,他们都是远离银河系的星系,而且他们都比M31要远得多。

当然哈勃的发现,不仅仅是扩大的宇宙的范围,它还为斯莱弗发现的星云红移提供了更大的意义。这是我们下节课要说的内容。

下面我们说下,为啥哈勃测出来的距离只有90万光年,现在我们知道M31距离我们至少220万光年。

因为哈勃用错了造父变星,这是我们后来才知道的,变星有两种,一种是造父变星,也就是以仙王座δ星为首的一类变星,还有一类是天琴RR型变星。

这两类变星最大的区别是,造父变星属于星族Ⅱ中的恒星,非常古老,不含重金属,天琴RR型变星属于星族Ⅰ中的恒星,含有较多的重金属,质量也普遍较小,就像我们太阳一样。

这种变星在相同的光变周期下,天琴RR变星的本征亮度要比造父变星亮4到5倍。所以当时哈勃在M31中其实看到的是天琴RR变星,他以为是造父变星,所以就低估了人家的本征亮度,才导致了测量出来的距离只有90万光年。

如果修正以后,再把气体、尘埃这些消光物质考虑进去了,差不多就是今天测量出来的距离了。

好了,今天的内容就到这里了。