从哈勃到哈勃深空场(二)—膨大在气球上的宇宙

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本期为从哈勃到哈勃深空场第二篇,上一篇为:《从哈勃到哈勃深空场(一)—“男神带你肉眼看(仙女座)星云”》

本期将介绍一下内容:

1,哈勃做事的意义

2,哈勃行使造父变星测距法估测的宇宙有多大

3,星系发光的红移表象是什么

4,哈勃定律是什么

5,哈勃定律注释了宇宙间的什么隐秘

6,喜欢因斯坦为什么失眠

河外星系初窥端倪

       在开启本期内容之前,先放几张精美图片行为开胃菜。

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当吾们抬看星空时,几乎看到的每一颗星星都来自银河系,固然从专门悠久的古代,人们就认识了银河。但是对银河系的真实认识照样从近代最先的。

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甚至到了20世纪上半叶,天文学界仍远大认为银河系就是整个宇宙。

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但这真的不怪他们,银河系实在是太大了,有多大呢?它的直径足有余十万光年!

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然而并非看到的每一颗“星星”都来自银河系,编号为M31的仙女座大星系和M33的三角座大星系,似乎两片云彩挂在夜空中。吾们距离它们有26个银河系那么远。同时,它们也是肉眼可见的河外星系。

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哪怕在后来人们发现其他星系后,仙女座大星系也是相等顽皮而稀奇的:星团中存在大量的超星系(爆失踪的恒星),更主要的是这些超新星都专门虚弱,仿佛离吾们相等迢遥

      上期(从哈勃到哈勃深空场(一)—“男神带你肉眼看(仙女座)星云”)吾们讲到哈珀经由过程测算仙女座大星系的距离发现它远在银河系之外,这一发现在1924岁暮由美国天文学会正式公布,尽管哈珀本人异国参添这次会议,但是当他的论文被宣读完毕,在场的一切天文学家都认识到1920年的天文界世纪大申辩就此终局了。

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埃德温·哈勃(Edwin Hubble)于1923年在威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)行使100英寸Hooker看远镜拍摄的仙女座“星云”的照相底片。底片中哈勃将他发现的那颗转折人类对宇宙认识的造父变星懂得地标注了出来,时间是1923年10月6日。右图为哈勃绘制地这颗造父变星的星光弯线

       哈勃的做事让那时的天文学家认识到,星云不是银河系中的发光气体云,或者某个天体,而肯定是像银河系相通的,由千亿颗星星组成的真实的另一个星系。因此当坚持认为银河系就是整个宇宙的沙普利收到哈珀不益看测效果的信件时,坦言“这封信毁了吾的宇宙”。

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从此,银河系不再是整个宇宙。 它更像是海滩上的一粒幼沙子; 一个拥有多数舞者(星系)的芭蕾舞剧。地球所在的太阳系是在银河系第三旋臂即猎户旋臂上。而在2014年的一项钻研中,天文学家将银河系附近的区域的数千个星系绘制后发现,吾们的银河系并非一个孤单的宇宙岛,它处在一个包含着10万个星系的更为普及的超星系团中,这个超星系团被称为Laniakea。自然这都是后话了

       哈珀的工行为那时的科学家掀开了一扇窗户,揭开了银河系之外宇宙的面纱。1925年,哈勃再次行使造父变星测距法测定了人马座星云NGC6822的距离,证实该旋涡星云其实也是一个河外星系。此后更多的星系被一个个发现,它们就像一个个岛屿相通遍布广袤的宇宙。

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1850年德国红堡挑出的宇宙岛概念,将宇宙视为大海,银河系和其他相通天体体系则视为大海中的岛屿。哈珀的做事使人类认识的宇宙的尺度从一个宇宙岛(银河系)一会儿扩大到多数个宇宙岛(河外星系),从而揭开了探 索宇宙组织的新篇章。

星际大航海——宇宙有多大

在哈珀做事的基础上,全世界的天文学家开启了星际“大航海”,他们像四百多年前的哥伦布那样,行使普及世界各个角落的大型天文看远镜追求包含造父变星的星系。随着钻研的深入和天文学家的勤苦,更大更迢遥的星系最先普及整个宇宙,进入人类的视野。

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仙女座星系下的添利福尼亚州圣添布里埃尔山的威尔逊山天文台俯瞰图,图片摄于1931年,保存于芝添哥大学图书馆

哈勃先用胡克看远镜去测量更为迢遥宇宙的现在的,他由数千年光年远的球状星团,延迟到造父变星测量所能达到的极限,也就是以300万光年为半径、包括20个星系的周围。由那处首,他再用旋涡星系旋臂中的蓝色超巨星行为不详的测量标尺,进而测量一个更远的、包括200个星系的周围,这个周围距离吾们3000万光年。这是那时天文看远镜所能不益看测宇宙周围的极限了。

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那时天文学家已经能够不益看测到数千个亮度纷歧的星系,不过,这些星系都很黑淡,许多甚至无法分解成单个的恒星,因此从平分辨出造父变星就更难得了。

新的发现带来了新的难题,人类再次回到最初面临的谁人题目:如何才能测定更远星系的距离呢?宇宙,原形有多大呢?

智慧的哈珀又想出了一个奥妙的手段,他倘若每个星系的绝对亮度都相差不大(尽管如许会带来不幼的偏差,但相对于估算值的大幼而言是能够容忍的),既然已经晓畅了仙女座大星系离吾们的距离,就能够经由过程其他星系的视亮度与仙女座大星系视亮度差距来计算它们相距多远,再行使仙女座大星系离吾们的距离就能够得到其他星系与地球之间的距离。

哈勃用这栽新的测量法很快探究到了那时的宇宙极限。

哈勃测算的宇宙有多大呢?!

远超10亿光年!

这个计算效果让哈勃大吃一惊,连他都不自夸,离吾们最迢遥的星系居然有10亿光年之远,吾们的宇宙之大,超出了一切人的推想。

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让他们更想不到的是,这仅仅是人类在认识宇宙尺度上跨出的第一步,70多年后,另外一个“哈珀”又有了更添惊人的发现。

从多普勒到光的红移——一个生动却舛讹的类比

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在平时生活中你吾都有过如许的经验:当一辆车眼前驶过时,当车向你的位置驶来时,你会发现鸣笛越来越尖锐,而当车逐渐远去时,鸣笛声调也 就随之逐渐降矮了。这一表象的背后其实是一栽物理原理,被称作“多普勒效答”——当车辆向你挨近时,声波被压缩,频率添高,声音变得尖锐;逆之声波波长被 拉升,声调降矮。

      声音是一栽波,当声源离吾们越来越近,相聚段时间内耳朵听到的“声音”越来越多,波长相等于被压缩了,频率就越来越大,音调也就越来越高;而声源离吾们越来越远时,耳朵在相聚段时间内收到的“声音”也越来越少,波长就会被延迟,声音的频率越来越幼,音调也越来越矮。声音的这栽表象最先由奥地利的数学家物理学家多普勒在1842年发现并钻研的,因此声音的这栽性质也被称为“多普勒效答”。那时多普勒还定量钻研了声源与本身相对行动速度和波长转折之间的有关。

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       后来人们进一步发现,多普勒效答实际上对一切的波都是成立的。而吾们晓畅,光实际上就是一栽电磁波,自然也就存在多普勒效答:当一个光源远隔吾们而去时,光波会被延迟,从光谱上看,光波向着红端移动。如许,经由过程多普勒效答您就能够理解“红移表象”了吧。

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当光源挨近不益看测者时,在不益看测者看来光源发出的光向着光谱蓝端移动;逆之,当光源远隔不益看测者时,不益看测者收到的光向着光谱红端移动。原理与多普勒效答相通

       星系发出的光有异国相通的红移效答呢?最最先测量星系星系红移的并不是人们常说的哈勃,而是集数学先天和科学素养于一身的特出天文学家斯里弗(Vesto Slipher)。正是他的开创性做事,指引了后来的哈勃不益看测星系红移。让吾们来看看这个天文学史上的巨匠:

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1914年斯里弗发现:夜空中的星云都在远隔地球而去,由于它们的光谱远大存在光谱红移的表象。而且,他还发现越黑的星云远隔太阳系的速度就越快。但是那时斯里弗还无法确定星云的内心是什么,也就无法实在地阐释这一表象的因为。在进走了十几年的钻研后,被测量偏差困扰的斯里弗不得不屏舍了这个周围。然而他却不晓畅,他的天纵英才为掀开宇宙大门准备益了撬杠,十年后,另一位巨匠,操首这把撬杠,将那扇蒙昧人类双眼的“大门”砸了个稀巴烂

        时间转眼到了1928年,由于哈勃的做事,天文学家已经晓畅了星云其实是银河系外的恒星世界。而这些远大的发现也为哈勃带来了重大的声誉。当他和妻子在欧洲旅走的时候,处处受到人们的欢呼,相通他们是皇家贵族。屡次社会活动使得哈勃亲自不益看测星系的时间缩短,却异国缩短他对星系世界稀奇的渴求。在欧洲的旅走中,哈勃获得了灵感,最先酝酿一个新的不益看测计划。

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哈勃和他的团队,图片由添州理工学院档案馆挑供

       1928年的镇日,美国威尔逊山天文台的天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)咨询他的不益看测助手赫马森 (Milton L Humason):“你是否情愿和吾一首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。

机遇倾向有准备的人

       不知你身边是不是存在如许的人,天主永久站在他那处。

       哈勃就是如许一幼我。

       相比斯里弗而言,哈勃有很大的上风。最先,哈勃有着不益看测数百个星系的经验,对测量河外星系距离轻车熟路,因此钻研河外星系红移和距离之间的有关对他而言顺理成章,而这对追求宇宙的组织有着极其主要的意义。

      斯里弗行使洛厄尔天文台看远镜得到的不益看测数据一向为科学界疑心,而哈勃行使的是那时实际上最先辈,最大也是最益的天文看远镜——威尔逊山天文台的100英寸胡克看远镜。因此哈勃不光能够比斯里弗拍摄更黑的星系,而且能够以更高的精度获得红移。

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100英寸(2.5米)口径的胡克看远镜造益之时,正是天文学家为了星云内心题目而不知所措的时候,从1917年到1947年,它一向是世界上最大的看远镜。胡克看远镜也被认为是世界上最高产的天文看远镜,经由过程它天文学家确认了宇宙的基本组织概念,得到膨大理论的证据

      哈勃还有一个得力助手、天文学界技术最谙练的不益看测行家之一赫马森(Milton LasellHumason,1891~1972)。拍摄星云的光谱,必要长时间的曝光,对天文学家的不益看测技巧和耐性请求很高,而赫马森是一个世界级的天文不益看测师。

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赫马森14岁辍学,异国受过高等哺育,最先是以杂工的身份添入威尔逊山天文台,但他拙劣的看远镜操作能力很快钦佩了天文台的天文学家沙普利 (Harlow Sharpley) 和台长海尔(George Hale),成为了正式的驻站不益看测人员。在以前十几年里,威尔逊山天文台最主要的不益看测效果都有他的功劳。哈勃本身自然也是一个特出的不益看测家,但是现在他已经徐徐脱离不益看测第一线,赫马森就成了保证他计划成功的主要一环。

红移表象——暗藏在光波中的惊天大隐秘

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钻研星系红移过程中哈珀发现,几乎一切的星系都存在红移表象,红移表象不是个例,而是宇宙中星系远大存在的规律。而且星系离吾们越远,红移表象得就越严害。哈勃的做事并异国就此止步,紧接着他用了益几年时间,测定了上百个星系的红移大幼,并将红移大幼换算成了视向速度,将之与星系距离表现在一张图上:

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这张图的纵坐标为换算成视向速度的星系红移大幼,横坐标为哈勃行使造父变星测距法不益看测到的星系距离。稍稍对数学敏感的至交就会发现,视向速度与星际距离大致呈正比例有关

一看到这张图,哈勃立即发现视向速度和星系距离成正比例有关,并由此挑出了远近著名的哈珀定律:V=HD,这边V外示星系远隔吾们的退走速度,D外示星系的距离,H外示哈珀常数,也就是说星系的退走速度与距离之比是一个定值,这个定值就是哈珀常数。

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哈勃定律是近100年来,天文学发展的一个主要里程碑,也是当代宇宙学的基石之一。有一栽说法是在1927年的时候,比利时天文学家勒梅特就已经在比利时的一个期刊上发外了一篇关于宇宙膨大的文章。鉴于发外勒梅特论文的比利时期刊有限的流通量,以及他行使的是法语,人们认为他的不凡发现在那时很大水平上不为天文学界知晓。但是哈勃在1929年发外的发现很能够受到了勒梅特的影响,由于在1928年7月,勒梅特和哈勃在莱顿举办的IAU第三界会议上会面,会议期间,他们商议了外明宇宙膨大的天文学证据。

喜欢因斯坦失眠了

       看首来哈珀定律就是个浅易不过的数学公式,然而远大的喜欢因斯坦看到这个公式却激动地睡不着觉,由于这个公式背后蕴含着一个惊天隐秘。

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让吾们来介绍这几位大佬:左侧第一位就是哈勃的助手赫马森;左侧第二位就是哈勃;中心那位就是远近著名的阿尔伯特·迈克耳孙,他准确测量了光速,完善了著名的迈克耳孙-莫雷实验,获得了1907年诺贝尔物理学奖,同时是美国芝添哥大学物理系第一任系主任;左侧第五位是喜欢因斯坦。照片摄于1931年,威尔逊山天文台图书馆

      星云“红移”展现了多普勒效答无法注释的表象,多普勒效答中,波长的延迟幅度在波发出的那一瞬休就已经决定了,之后波在传播中就不会转折。而哈勃定律和不益看测数据表现,从迢遥星系发出的光在随着时间在一向延迟,在光谱上是向着红端移动的,这就表明光波在宇宙空间传播时被“延迟”。这个来自深奥宇宙的诡异表象十足推翻了多普勒效答带给吾们的直不益看认识,立即引首了一切物理学家和天文学家极大地有趣。

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星系都存在着红移表象,而且距离地球越远的星系红移表象越强烈

       更添诡异的是哈珀定律适用于宇宙中任何不益看测点,你站在宇宙中任何一个位置不雅旁观,都会发现一切的星系在离你而去。毕竟地球是宇宙空间再清淡不过的点。

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实际上,可不益看测宇宙的时空体积正在扩大,哈勃定律就是对此的直接物理不益看察。 它以宇宙膨大为基础,也是声援宇宙大爆炸模型的证据。

       只有一栽情形下才会展现这栽景不益看,那就是宇宙团体在膨大。就像一只吹大的气球相通。

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举个不算正当的例子(这个类比很生动、形象,被几乎一切的科普书所采用):把一个气球吹大,对于气球外貌这个二维“宇宙”而言,就相等于空间正在膨大,倘若在气球上用笔点几个点代外星系,就会看到随着气球的膨大,这几个点彼此的距离会添大,代外星系彼此远隔。逆之,缩短的时候这些点的距离会减幼。但是很清晰,气球外貌这个二维“宇宙”是异国边界的。在球面上并异国哪个点是稀奇的,以每个点为中心看去,别的点都在远隔这个参照点,因此能够说每个点都是中心。用一句走话来说,这个二维宇宙是“有限无界”的。

哈珀所不益看测到的宇宙就像如许的一只气球,一切的星系都在互相远隔,这表明吾们的宇宙正在膨大中,这边的宇宙膨大并不是宇宙在一个已经存在的某个空间中向外膨胀,而是空间本身在一向膨大拉伸。宇宙膨大并不外示宇宙存在边界。不要问宇宙外貌是什么,由于人类对宇宙本身仍不晓畅。

这就是这个看上去简浅易单的哈珀定律通知吾们的宇宙隐秘。

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科学钻研中实验与理论匹配完善的情况不多,而真实行家级的人物,他们的理论往往能够与实际数据符合合又能展望异日。喜欢因斯坦的广义相对论就是如许的理论模型。哈勃对于红移表象不益看测的数据正好位于广义相对论弯线看首来比较线性的那一段。

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而符合的关键就在这条直线的斜率,在哈珀定律中,就是谁人哈珀常数了。在那时样本数目相等有限,尽管如许却已经能够展现一些端倪了。天文不益看测技术一向挺进到现在,哈珀常数的不益看测更是越来越准确。

      当远在欧洲的喜欢因斯坦读到哈珀的论文惊讶地益几天睡不着觉,由于哈珀的发现与喜欢因斯坦挑出的广义相对论互为印证。喜欢因斯坦笑颠颠地来到威尔逊天文台,亲自趴在天文看远镜上遥看星空,试图要验证一下哈勃地定律。

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喜欢因斯坦一向秉持静态宇宙不益看,而喜欢因斯坦的广义相对论方程通知他,宇宙要么膨大,要么缩短为一个点,为了使本身的广义相对论产生静态解,这位20世纪物理学教父亲自操刀设计修改了广义相对论方程,增补了一个被称为宇宙学常数的量,并认为这就是宇宙地准确状态。直到哈勃的论文发外之后他都将信将疑地来威尔逊山“视察”

      但真实让喜欢因斯坦吃惊的是他本身最先由于不自夸宇宙会膨大而生生地在他的广义相对论方程中增补了一个不消要的常数,用以维持宇宙的安详。据说,这是喜欢因斯坦一生中自认为最大的舛讹(这一向为俄裔物理学家伽莫夫津津笑道)。

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posted on 2021-12-15  admin  阅读量:

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