科学家如何测量遥远天体的距离?原来宇宙也有“尺”,量一下就行

摘要:北京时间20200214关于【科学家如何测量遥远天体的距离?原来宇宙也有“尺”,量一下就行】的具体情况和说明,让www.pccjzh.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

当我们阅读天文的文章时,经常可以看到系外行星或者某个星系、黑洞距离有多少多少光年。有些人感慨:科学家真厉害啊,这么远的距离都能测量出来;也有人说:反正我们又没法量,科学家随便编。

那么,科学家真的是编出来的吗?他们到底如何测量天体的距离呢?

不看不知道,一看吓一跳。

我们前一期提到过,100光年以内的天体,我们可以通过三角视差法来计算其距离。

而这个方法,在100光年以外,就不能使用了,原因我们也讲过。那么,科学家如何计算100光年以外天体的距离呢?好在,科学家发现了宇宙专用的“尺子”——造父变星。

宇宙中有一种恒星,它们的光度不固定,会发生周期性的变化,这种恒星叫做变星。而变星之中,最特别的叫做造父变星,以其中的代表——造父一命名。

大约100年前,科学家们在研究造父变星的时候,发现它们自身的亮度和光变周期是直接相关的,这个亮度,在天文学上可以用“绝对星等”这个概念来表示。所谓的绝对星等,就是把一个天体放在距离我们10个秒差距(32.6光年,秒差距的概念也在上一期介绍过)处时肉眼看到的亮度。

当然了,并不是所有天体都恰好在32.6光年处。如果比这个距离远,实际看到的亮度就比绝对星等要暗一点,如果比这个距离近,那就比绝对星等要亮一些。所有天体在现在实际位置上时,我们肉眼看它们的亮度,叫做视星等。

一个天体的视星等,是天文学家瞪眼看就能知道的。同时,天文学家可以通过一个天体的绝对星等和视星等来计算。因此,他们只需要记录下来某一颗造父变星的光变周期,就知道它的绝对星等,进而可以测量出它和我们的距离。从此,科学家只要想知道一个天体的距离,只需要找到它附近的造父变星就可以了,也可以知道某一个造父变星所在星系的距离。

当然,这也不是适用于全宇宙的。只要是不在银河系旁边的河外星系,我们就很难精确地看见它内部的恒星,也就不能利用这个方法来测量了。

只怪造父变星不争气,不够亮,所以不显眼。

还有没有更亮的?

有,超新星。

而且不是一般的超新星,是Ia型超新星。这种超新星的特点是:它处于一个双星系统中,而且他本身是白矮星,另外一颗,是还在燃烧的恒星。由于白矮星引力非常强大,它可以把自己伴星的物质吸收到自己周围,因此又有一个绰号:“僵尸恒星”或者“吸血鬼恒星”。

当这颗白矮星吸收物质达到太阳质量的1.4倍时,就会再次进行核聚变反应,将内部的碳和氧的元素“炸碎”,聚变成为镍等重元素。超新星的爆发,亮度可是不一般的,Ia型超新星的爆发更是能把人“亮瞎”。所以,即使距离很远,我们也可以看见它。

聪明的科学家注意到:白矮星本来元素就是一样的,而爆发时的质量也是一样的,因此,Ia型超新星爆发时都是一样亮的。

就这样,我们又回到了刚才的方式上:亮度等价于绝对星等,而视星等是用眼睛或者望远镜来观察的,只要进行同样的计算步骤,就可以知道这一颗Ia型超新星和我们的距离,也就是它所在的星系和我们之间的距离。

问题在于,即使是Ia型超新星,亮度也是有限的。如果距离再远一些,连Ia型超新星我们都看不见了。那么,还有没有更亮的天体呢?

有是有,但它们不能作为宇宙的“尺子”来测量距离。不过,科学家还是找到了方法。这个方法也是光学方法,但不是简单的观测光度,而是光谱。

高中物理讲过一个概念:多普勒效应。原理很简单,一个波在传播过程中,如果波源接近接收者,波的频率就会变高;反之,远离的时候频率会变低。我们生活中最常遇到的就是汽车鸣笛路过我们身旁,靠近的时候音调越来越高,远离的时候声音越来越闷,飞机的轰鸣声也是一样。

科学家告诉我们:光也是一种波,当光源远离我们的时候,频率也会变低。在可见光里,频率最低的,就是红色。因此,如果一个天体远离我们,它的光谱就会偏红,这在天文学上叫做“红移”。

当然,宇宙是膨胀的,所有天体都在远离我们。可是,这和距离有什么关系呢?

有关系——距离越远,它们远离我们的速度就越快,光谱就会更多地偏向红色。也就是说,利用这个方法,天体太远不但不会让我们无法测量,反而红移值更大,更容易观测。因此,宇宙中那些最遥远的天体,我们都通过这样的方式来测量距离。

因此,在公布遥远天体距离的时候,科学家始终都是有理有据。当然了,科学家计算天体距离的根据,本身也要靠得住。在这三种方法里,红移值的方法看起来还是比较可靠的,造父变星的方法也是没有什么可质疑的,而Ia型超新星的标准,则一直有些争议。尤其最近的时候,韩国科学家指出:Ia型超新星的亮度未必是固定的,也许和它所处的环境、其前身的自转速度、伴星的性质等等许多因素都相关。如果Ia型超新星的亮度真的不是恒定的,可能这个测距的方法就要重新讨论了。

总之,科学在发展,科学家总会找到越来越多的方法来测量那些我们认为不可能得到的数据。正是因为科学家完成了一个一个“不可能”的任务,我们的科学才能发展到今天,不是么?


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