宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小

北京时间6月23日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,“让我们去宇宙里到处逛逛吧!”这是1920年,美国天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley)在华盛顿向一群听众发出的邀请。当时沙普利正打算举行和另一位美国科学家希伯·柯蒂斯(Heber Curtis)的辩论会,主旨是关于宇宙的大小。

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 1

科学家们已经逐渐发展出多种测定遥远星系距离的方法

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 2

我们能够观察到的最遥远的星系诞生于宇宙之初,极其古老

沙普利和柯蒂斯的辩论

沙普利相信我们的银河系直径大约30万光年。按照我们目前的最新认识,沙普利得到的这个数据几乎比实际情况大了3倍左右,但在当时,他的测量结果已经属于相当精确了。尤其难能可贵的是,他对银河系内部的一个参数计算地相当准确,那就是太阳系距离银河系中心的距离。

然而在20世纪初,30万光年这样的数字在沙普利的同行们看来实在太过惊人了。而在很多当时的天文学家眼们看来,如果说我们从望远镜中看到的那些旋涡星系,它们可能都是像银河系这样规模的巨型星系,那已经近乎是荒诞的了。

事实是,沙普利本人也的确认为银河系一定是独特的。他曾经对一位听众表示:“那些遥远星系的旋臂即便也是由恒星构成的,那它们在规模上也是无法和我们的银河系相提并论的。”

但柯蒂斯不同意这样的观点。他正确地指出,在宇宙中存在着很多和银河系一样规模巨大的星系。但有趣的是,柯蒂斯此番论点的出发点是,他认定银河系的规模肯定要比沙普利计算得到的结果要小得多。根据柯蒂斯的计算,银河系直径只有大约3万光年——这比现代测量数值大约小了3倍。

于是这场辩论就出现了在现在看来非常有意思的的双方:一方计算的银河系大小比实际大了3倍,另一方则比实际小了3倍,而双当都对自己的结果坚信不疑,对对方的结果嗤之以鼻。当然,考虑到这是一场在差不多100年前举行的辩论,在测量上出现这样的误差是完全可以理解的。

宇宙距离阶梯一:无线电反射

今天,我们已经可以相当有信心地认为,银河系的直径大约为10万光年。而我们能够观察到的宇宙范围当然还要远远超越这一尺度。根据最新的理论,我们能够观察到的整个宇宙范围,即所谓的“可观测宇宙”的直径大约为930亿光年。那么我们究竟是如何得到这一结果的?我们,生活在尘埃一般地球上的小小生物,我们怎么可能测定这样广袤的距离数值?

自从波兰天文学家哥白尼提出日心说以来,我们似乎一种都难以摆脱自身在认识宇宙方面的先入之见,而这一点在关于宇宙究竟有多大这一点上尤为明显。甚至在今天,随着最新数据的获得,宇宙的大小也仍然在不断颠覆我们此前的认识,迫使我们不断更新自己的观念。

凯特琳·卡西(Caitlin Casey)是美国德克萨斯州奥斯汀德州大学的一名天文学家,专业就是宇宙学。她指出,天文学家们已经发展出一整套天才的工具和手段,不仅用于计算地球到太阳系内其他天体的距离,也同样能够被用于测算星系之间的距离甚至是整个可观测宇宙的大小。

测量所有这些距离的手段被称作“宇宙距离阶梯”(cosmic distance ladder)。这个阶梯的第一级是最容易的,而在今天,这一级阶梯也广泛借助于现代先进技术。

卡西表示:“我们可以直接向近距离的行星表面发射无线电波并接收反射信号,比如金星和火星,并测量信号往返所需要的时间。这将可以给出非常精确的距离数值。”

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 3
设在波多黎各岛上的阿雷西博射电望远镜口径305米,目前是世界上口径最大的射电望远镜,但很快就将被中国贵州口径500米的FAST射电望远镜超过

大型射电望远镜,比如设在波多黎各岛上的阿雷西博望远镜就能够胜任此类工作,但这类设备能够完成的工作还有更多。比如阿雷西博射电望远镜能够对遥远的小行星进行观察,并根据无线电信号在这些小行星表面的反射特征绘制出其地表形态地图。

但使用射电望远镜测量太阳系之外天体的距离则显得有些不切实际了。此时,我们需要使用的三角视差方法。

宇宙距离阶梯二:三角视差法

这种方法其实我们平常也都一直在使用,只是我们完全都没有意识到。人类和许多动物一样,能够本能地判断自身与远方物体之间的距离,这首先要归功于我们长着两只眼睛。

如果你把一个物体放在眼前,然后张开一只眼睛闭上另一只眼睛,然后换一边眼睛再重复,你会发现好像你放在眼前的物体稍稍移动了位置。这就是视差。类似这样两次观测之间存在的差异性能够被用于计算所观测物体的距离。

我们的大脑会根据来自两只眼睛所提供的观测信号自动进行距离判断,而天文学家对距离较近的恒星进行测距,所采用的方法与此并无二致,唯一的不同可能就在于他们使用的感受器不同,不是眼睛,而是望远镜。

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 4

我们赖以生存的太阳就是一颗主序星

请想象有两只眼睛在太空中自由漂浮,且它们的位置分别位于太阳的两侧——其实这也正是我们正在做的事情——由于地球的公转运动,我们每一年都会有半年的时间 在太阳的一侧,另外半年在太阳的另一侧。如此,当我们在冬天和夏天观察恒星时,就能够利用它们相对于遥远宇宙背景上的位置变化来测算其距离。

卡西表示:“我们在一年中的某个时间测定一颗恒星在天空中的位置,比如说在1月份进行这样的测定。然后我们就要再等上6个月的时间,随后在7月份对同一颗恒星进行同样的测定,此时我们正处于地球轨道上太阳的另一侧。”

然而,这一方法也有其自身的局限性,那就是当恒星的距离太过遥远——大约100光年以外,此时这些恒星所显示出的视差值就太小了,无法进行有意义的计算。但即便在这样的距离上,我们也仍然远未接近我们银河系的边缘。

此时,我们需要一种被称作“主序拟合”。其有赖于我们对不同大小的恒星(即所谓“主序星”)随时间演化过程的认识。

宇宙距离阶梯三:主序拟合

有一件事是肯定的,那就是随着时间推移,这些恒星的颜色会逐渐变得更红。通过对这些恒星颜色和亮度的精确测定,并将这些恒星与那些距离较近,因而已经运用视 差方法测定过距离的主序星进行对比,通过这种方法,我们将能够大大延伸我们的宇宙测量标尺,从而得以估算遥远的多的恒星的距离。

这一方法背后的基本前提是:我们认为那些质量相似,年龄相仿的恒星,如果它们的距离相同,那么它们的亮度也应该是一样的。但事实是,这些恒星看上去都是不一样亮的,这也就意味着它们的距离远近不同。

当被用于此类分析时,主序星常常被视作一种“宇宙标准烛光”——只要测定它们的星等(亮度)我们就能推算它们的距离。这样的标准烛光遍布整个空间,以一种可预测的方式照亮着宇宙。但主序星还并非故事的全部。

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 5

船尾座RS,一颗典型的造父变星。哈佛大学的女天文学家勒维特最早发现了这类特殊变星的光变周期与真实亮度之间的关系

类似这种对于恒星亮度与距离之间关系的认识,在对更加遥远的天体进行距离测定时仍然显得十分关键——比如那些位于其他星系内部的恒星。然而在这样的距离上, 主序拟合测距方法已经开始显得力不从心,因为这些天体往往都在数百万光年之外甚至更远,对它们进行精确的测距变得愈发困难重重。

宇宙距离阶梯四:造父变星和宇宙标准烛光

但在1908年,美国哈佛大学的一名女性科学家亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)取得了一项极其重要的发现,这项发现将帮助天文学家们对极其遥远的天体进行测距。勒维特意识到,宇宙中存在着一类特殊的恒星,叫做“造父变星”(Cepheid variable)。

卡西指出:“勒维特发现,这类特殊恒星的亮度会随着时间推移而发生变化,并且其亮度变化周期与其真实亮度之间存在直接关联。”

概括的说,就是造父变星的光变周期与其光度之间存在关联,且其光变周期越长,光度越大。换句话说,相比那些较为暗弱的造父变星,那些明亮的造父变星“脉动” 的周期更长(一般光变周期可以长达数天)。因为天文学家们可以相对容易地测定光变周期,这样他们也就能够得到这颗恒星的真实亮度数据。于是,反过来,只要 观察一颗造父变星的亮度,我们就能够计算出它们的实际距离。

从本质上说,造父变星法与主序拟合方法是类似的,在这两种方法中,亮度都居于核心地位。但问题的关键就在于我们又找到了测量遥远天体距离的一种新的手段。而我们所拥有的“量天尺”种类越多,我们也就越能够理解宇宙的真实尺度。

对于沙普利而言,正是造父变星的发现才最终说服了他,让他确信银河系如此巨大的尺度。

在上世纪20年代,美国天文学家埃德温·哈勃在临近的仙女座大星系中辨认出了造父变星,他据此计算认为仙女座大星系距离我们大约仅有100万光年左右。

今天,我们对仙女座大星系距离的最佳估算值大约是254万光年左右。但这样的误差丝毫无损于哈勃的名声。事实上,直到现在我们仍在不断努力修正我们对于仙女座大星系精确距离的测量数值。上面提到的254万光年实际上也只是最新几个不同测量数据的平均值而已。

这只是其中的一个案例,表明宇宙中天体距离的测定,即便是在今天,仍然是多么令人感到棘手。我们可以做一些相对靠谱的估算,但要想精确计算宇宙中星系之间的距离其实是一件极其困难的事情。宇宙实在太大了,它并不会止步于此。

哈勃同时也对一类白矮星爆发——即所谓Ia型超新星的亮度进行了测定。这些天体的亮度极高,能够在极其遥远的距离上被观测到,尺度可以延伸数十亿光年之遥。

由于这类特殊超新星爆发的亮度已经能够从理论上进行计算,天体物理学家们断定所有的Ia型超新星的亮度都是基本相同的。这样一来,就像造父变星一样,我们只要观察它们的亮度便可以直接得到它们的距离数值了。也因为以上的原因,Ia型超新星和造父变星两者都被天文学家们亲切地称作宇宙中的“标准烛光”。

但在宇宙中,还有一种非常特殊的工具,能够帮助我们对极端遥远的天体进行测距,这种工具就是红移。

宇宙距离阶梯五:红移

在日常生活中你或许有过这样的经验:当一辆救护车或者警车从你面前驶过时,当车向你的位置驶来时,你会发现警报声越来越尖锐,而当车逐渐远去时,警报声调也 就随之逐渐降低了。这一现象的背后其实是一种物理原理,被称作“多普勒效应”——当车辆向你靠近时,声波被压缩,频率增高,声音变得尖锐;反之声波波长被 拉升,声调降低。

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 6

对于光波,情况也是类似的,只是尺度要精细的多。我么可以通过对遥远天体光线的光谱分析检测这种效应。恒星光谱中会有一些暗线,这是光源发出的光线中由于某些类型的元素被吸收而产生的吸收线。

观测显示,所有的星系都在远离我们,并且距离我们越遥远的星系远离的速度越快,这就是著名的哈勃定律,它背后的本质是宇宙的膨胀。和上面警报声的情况相似, 星系远离我们的速度越快,其波长的拉升程度越明显,在光谱中的表现便偏向红端,被称作红移。那么基于哈勃定律,可以发现,星系距离我们越远,它们光谱中表 现出的红移量也会越大。因此反过来,对遥远星系光谱红移的观测也为宇宙膨胀理论提供了坚实的观测证据。

美国宇航局项目科学家卡迪克·赛斯(Kartik Sheth) 说:“这就像在一个气球表面画上很多的点——每一个点都代表一个星系,然后把气球吹气,你会发现所有点之间的相互距离都在增大。这和宇宙中的情况有些相 似,随着宇宙的膨胀,每一个星系都在互相远离。”他说:“基本上,从天体发出的电磁波的波长是不会改变的,但由于时空本身的膨胀,电磁波的波长被拉伸 了。”

星系的退行速度越高,它们距离我们就越远,它们的光谱红移特征就越明显。正是埃德温·哈勃对遥远星系中的造父变星进行观察,并将其观测结果与这些恒星的光谱红移值之间建立关联。

现在,我们抵达了一个关键环节。我们接收到红移最大的电磁波信号显示其来自138亿光年之外。换句话说,这是我们能够观察到的最古老的光线,这也在一定程度上向我们透露了宇宙本身的年龄。

可观测宇宙有多大?直径930亿光年

宇宙的距离阶梯:我们是如何测量浩瀚宇宙的大小的照片 - 7

哈勃望远镜眼中的宇宙深处。我们能够观察的宇宙空间直径大约是930亿光年

但必须考虑到一个事实,那就是在过去的138亿年间,宇宙一直在持续膨胀——并且膨胀的速度非常迅速。将这一因素纳入考虑之后,天文学家们的计算结果显示,那些从138亿光年外发出的光线,产生这些光线的古老天体,由于宇宙的膨胀,今天它们和我们之间的距离已经达到了大约465亿光年左右。

这一数值是我们目前对于可观测宇宙半径的最佳估算。将这一数值乘上一倍,我们就能获得可观测宇宙的直径,大约是930亿光年。

这一数值基于很多不同测量方式得到的结果,它是数个世纪以来科学家们不懈努力的结晶。但正如卡西所指出的那样,即便到现在,我们对于宇宙尺度的认识仍然是比较粗糙的。

仅举一例,考虑到我们能够探测到的一些最古老星系情况的复杂性,目前仍然不清楚为何这些星系能够在宇宙大爆炸之后这么短的时间内就形成。其中一种可能性是,我们在某些环节的计算上可能仍然存在缺陷。

卡西表示:“如果在这一宇宙阶梯上,有一级的长度要减掉10%,那么每一级都要跟着减掉10%,因为本质上它们每一级都是相互基于,层层递进的。”

而当我们尝试思考更加遥远的宇宙空间,也就是我们所言的“可观测宇宙”之外的区域,或者说“整个”的宇宙。取决于你所采用的宇宙形态模型,你最后将得到的宇宙可能将是有限的,也有可能是无限的。

近期,英国牛津大学的米汉·瓦达扬(Mihran Vardanyan)和同事们对可观测宇宙中的已知天体数据进行了分析,试图从中探寻整个宇宙的真实形态。

分析的结果如何?在使用计算机算法对数据中有意义的模式进行挖掘之后,他们得到一个新的估算值。计算结果显示整个宇宙的大小大约是可观测宇宙的250倍左右。

但是除了这样的理论估算和模型之外,我们实际上对于真实宇宙的大小仍然了解很少。当然,对于绝大部分的人来说,可观测宇宙已经足够广大。而对于像卡西和赛斯这样的科学家而言,宇宙则永远是他们探索知识的无尽旷野。

赛斯表示:“我们所了解到的任何宇宙知识——它有多大,以及宇宙中所有那些美妙的天体——我们对所有这些的了解,都源于我们我们使用探测器、相机,还有我们的射电天线,对于那些已经在宇宙中传播了数十亿乃至上百亿年之久的电磁波所做的观察和分析。”

卡西说:“这让人感到谦卑。天文学教会我们,我们并非宇宙的中心,我们甚至不是太阳系的中心,而太阳系也远非银河系的中心。”

有朝一日,我们或许将有机会飞行到远比今天我们所能抵达更加遥远的宇宙深处,当前我们能做的还只是仰望,但我们的思想却早已踏上远途。

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: