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本文首發(fā)于“宇航探索局”微信公眾號，轉(zhuǎn)載請注明出處。 本期為從哈勃到哈勃深空場第二篇，上一篇為：《從哈勃到哈勃深空場（一）—“男神帶你肉眼看（仙女座）星云”》 本期將介紹一下內(nèi)容： 1，哈勃工作的意義 2，哈勃利用造父變星測距法估測的宇宙有多大 3，星系發(fā)光的紅移現(xiàn)象是什么 4，哈勃定律是什么 5，哈勃定律解釋了宇宙間的什么秘密 6，愛因斯坦為什么失眠 河外星系初窺端倪 在開啟本期內(nèi)容之前，先放幾張精美圖片作為開胃菜。      上期（從哈勃到哈勃深空場（一）—“男神帶你肉眼看（仙女座）星云”）我們講到哈珀通過測算仙女座大星系的距離發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)在銀河系之外，這一發(fā)現(xiàn)在1924年底由美國天文學(xué)會正式公布，盡管哈珀本人沒有參加這次會議，但是當(dāng)他的論文被宣讀完畢，在場的所有天文學(xué)家都意識到1920年的天文界世紀(jì)大辯論就此終結(jié)了。  哈勃的工作讓當(dāng)時的天文學(xué)家認(rèn)識到，星云不是銀河系中的發(fā)光氣體云，或者某個天體，而一定是像銀河系一樣的，由千億顆星星構(gòu)成的真正的另一個星系。所以當(dāng)堅持認(rèn)為銀河系就是整個宇宙的沙普利收到哈珀觀測結(jié)果的信件時，坦言“這封信毀了我的宇宙”。  哈珀的工作為當(dāng)時的科學(xué)家打開了一扇窗戶，揭開了銀河系之外宇宙的面紗。1925年，哈勃再次利用造父變星測距法測定了人馬座星云NGC6822的距離，證實該旋渦星云其實也是一個河外星系。此后更多的星系被一個個發(fā)現(xiàn)，它們就像一個個島嶼一樣遍布廣袤的宇宙。  星際大航海——宇宙有多大 在哈珀工作的基礎(chǔ)上，全世界的天文學(xué)家開啟了星際“大航?！保麄兿袼陌俣嗄昵暗母鐐惒寄菢?，利用遍及世界各個角落的大型天文望遠(yuǎn)鏡尋找包含造父變星的星系。隨著研究的深入和天文學(xué)家的努力，更大更遙遠(yuǎn)的星系開始遍及整個宇宙，進(jìn)入人類的視野。  仙女座星系下的加利福尼亞州圣加布里埃爾山的威爾遜山天文臺鳥瞰圖，圖片攝于1931年，保存于芝加哥大學(xué)圖書館哈勃先用胡克望遠(yuǎn)鏡去測量更為遙遠(yuǎn)宇宙的目標(biāo)，他由數(shù)千年光年遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)，延伸到造父變星測量所能達(dá)到的極限，也就是以300萬光年為半徑、包括20個星系的范圍。由那里起，他再用旋渦星系旋臂中的藍(lán)色超巨星作為粗略的測量標(biāo)尺，進(jìn)而測量一個更遠(yuǎn)的、包括200個星系的范圍，這個范圍距離我們3000萬光年。這是當(dāng)時天文望遠(yuǎn)鏡所能觀測宇宙范圍的極限了。  新的發(fā)現(xiàn)帶來了新的難題，人類再次回到最初面臨的那個問題：如何才能測定更遠(yuǎn)星系的距離呢？宇宙，究竟有多大呢？ 聰明的哈珀又想出了一個巧妙的辦法，他假設(shè)每個星系的絕對亮度都相差不大（盡管這樣會帶來不小的誤差，但相對于估算值的大小而言是可以容忍的），既然已經(jīng)知道了仙女座大星系離我們的距離，就可以通過其他星系的視亮度與仙女座大星系視亮度差距來計算它們相距多遠(yuǎn)，再利用仙女座大星系離我們的距離就能夠得到其他星系與地球之間的距離。 哈勃用這種新的測量法很快探究到了當(dāng)時的宇宙極限。 哈勃測算的宇宙有多大呢？！ 遠(yuǎn)超10億光年！ 這個計算結(jié)果讓哈勃大吃一驚，連他都不相信，離我們最遙遠(yuǎn)的星系居然有10億光年之遠(yuǎn)，我們的宇宙之大，超出了所有人的估計。  從多普勒到光的紅移——一個生動卻錯誤的類比 聲音是一種波，當(dāng)聲源離我們越來越近，同一段時間內(nèi)耳朵聽到的“聲音”越來越多，波長相當(dāng)于被壓縮了，頻率就越來越大，音調(diào)也就越來越高；而聲源離我們越來越遠(yuǎn)時，耳朵在同一段時間內(nèi)收到的“聲音”也越來越少，波長就會被拉長，聲音的頻率越來越小，音調(diào)也越來越低。聲音的這種現(xiàn)象最先由奧地利的數(shù)學(xué)家物理學(xué)家多普勒在1842年發(fā)現(xiàn)并研究的，因此聲音的這種性質(zhì)也被稱為“多普勒效應(yīng)”。當(dāng)時多普勒還定量研究了聲源與自己相對運(yùn)動速度和波長變化之間的關(guān)系。 后來人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，多普勒效應(yīng)實際上對所有的波都是成立的。而我們知道，光實際上就是一種電磁波，自然也就存在多普勒效應(yīng)：當(dāng)一個光源遠(yuǎn)離我們而去時，光波會被拉長，從光譜上看，光波向著紅端移動。這樣，通過多普勒效應(yīng)您就可以理解“紅移現(xiàn)象”了吧。 星系發(fā)出的光有沒有類似的紅移效應(yīng)呢？最開始測量星系星系紅移的并不是人們常說的哈勃，而是集數(shù)學(xué)天賦和科學(xué)素養(yǎng)于一身的杰出天文學(xué)家斯里弗（Vesto Slipher）。正是他的開創(chuàng)性工作，指引了后來的哈勃觀測星系紅移。讓我們來看看這個天文學(xué)史上的巨匠： 時間轉(zhuǎn)眼到了1928年，由于哈勃的工作，天文學(xué)家已經(jīng)知道了星云其實是銀河系外的恒星世界。而這些偉大的發(fā)現(xiàn)也為哈勃帶來了巨大的聲譽(yù)。當(dāng)他和妻子在歐洲旅行的時候，處處受到人們的歡呼，好像他們是皇家貴族。頻繁社會活動使得哈勃親自觀測星系的時間減少，卻沒有減少他對星系世界奧秘的渴求。在歐洲的旅行中，哈勃獲得了靈感，開始醞釀一個新的觀測計劃。 1928年的一天，美國威爾遜山天文臺的天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）詢問他的觀測助手赫馬森 （Milton L Humason）：“你是否愿意和我一起試驗一下測量星云的紅移？”這一年哈勃39歲，已經(jīng)是美國科學(xué)院最年輕的院士。 機(jī)遇傾向有準(zhǔn)備的人 不知你身邊是不是存在這樣的人，上帝永遠(yuǎn)站在他那邊。 哈勃就是這樣一個人。 相比斯里弗而言，哈勃有很大的優(yōu)勢。首先，哈勃有著觀測數(shù)百個星系的經(jīng)驗，對測量河外星系距離輕車熟路，因此研究河外星系紅移和距離之間的關(guān)系對他而言水到渠成，而這對探索宇宙的結(jié)構(gòu)有著極其重要的意義。 斯里弗利用洛厄爾天文臺望遠(yuǎn)鏡得到的觀測數(shù)據(jù)一直為科學(xué)界懷疑，而哈勃使用的是當(dāng)時實際上最先進(jìn)，最大也是最好的天文望遠(yuǎn)鏡——威爾遜山天文臺的100英寸胡克望遠(yuǎn)鏡。因此哈勃不但可以比斯里弗拍攝更暗的星系，而且可以以更高的精度獲得紅移。 哈勃還有一個得力助手、天文學(xué)界技術(shù)最熟練的觀測專家之一赫馬森（Milton LasellHumason，1891～1972）。拍攝星云的光譜，需要長時間的曝光，對天文學(xué)家的觀測技巧和耐心要求很高，而赫馬森是一個世界級的天文觀測師。 紅移現(xiàn)象——隱藏在光波中的驚天大秘密 研究星系紅移過程中哈珀發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都存在紅移現(xiàn)象，紅移現(xiàn)象不是個例，而是宇宙中星系普遍存在的規(guī)律。而且星系離我們越遠(yuǎn)，紅移現(xiàn)象得就越厲害。哈勃的工作并沒有就此止步，緊接著他用了好幾年時間，測定了上百個星系的紅移大小，并將紅移大小換算成了視向速度，將之與星系距離顯示在一張圖上： 一看到這張圖，哈勃立即發(fā)現(xiàn)視向速度和星系距離成正比例關(guān)系，并由此提出了大名鼎鼎的哈珀定律：V=HD，這里V表示星系遠(yuǎn)離我們的退行速度，D表示星系的距離，H表示哈珀常數(shù)，也就是說星系的退行速度與距離之比是一個定值，這個定值就是哈珀常數(shù)。 愛因斯坦失眠了 看起來哈珀定律就是個簡單不過的數(shù)學(xué)公式，然而偉大的愛因斯坦看到這個公式卻激動地睡不著覺，因為這個公式背后蘊(yùn)含著一個驚天秘密。 星云“紅移”出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)無法解釋的現(xiàn)象，多普勒效應(yīng)中，波長的拉長幅度在波發(fā)出的那一瞬間就已經(jīng)決定了，之后波在傳播中就不會變化。而哈勃定律和觀測數(shù)據(jù)顯示，從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光在隨著時間在不斷拉長，在光譜上是向著紅端移動的，這就說明光波在宇宙空間傳播時被“拉長”。這個來自深邃宇宙的詭異現(xiàn)象完全顛覆了多普勒效應(yīng)帶給我們的直觀認(rèn)識，立即引起了所有物理學(xué)家和天文學(xué)家極大地興趣。 更加詭異的是哈珀定律適用于宇宙中任何觀測點，你站在宇宙中任何一個位置觀看，都會發(fā)現(xiàn)所有的星系在離你而去。畢竟地球是宇宙空間再普通不過的點。 只有一種情形下才會出現(xiàn)這種景觀，那就是宇宙整體在膨脹。就像一只吹大的氣球一樣。 哈珀所觀測到的宇宙就像這樣的一只氣球，所有的星系都在互相遠(yuǎn)離，這說明我們的宇宙正在膨脹中，這里的宇宙膨脹并不是宇宙在一個已經(jīng)存在的某個空間中向外擴(kuò)張，而是空間本身在不斷膨脹拉伸。宇宙膨脹并不表示宇宙存在邊界。不要問宇宙外面是什么，因為人類對宇宙本身仍不了解。 這就是這個看上去簡簡單單的哈珀定律告訴我們的宇宙秘密。 當(dāng)遠(yuǎn)在歐洲的愛因斯坦讀到哈珀的論文驚訝地好幾天睡不著覺，因為哈珀的發(fā)現(xiàn)與愛因斯坦提出的廣義相對論互為印證。愛因斯坦樂顛顛地來到威爾遜天文臺，親自趴在天文望遠(yuǎn)鏡上遙望星空，試圖要驗證一下哈勃地定律。 但真正讓愛因斯坦吃驚的是他自己開始因為不相信宇宙會膨脹而生生地在他的廣義相對論方程中添加了一個不必要的常數(shù)，用以維持宇宙的穩(wěn)定。據(jù)說，這是愛因斯坦一生中自認(rèn)為最大的錯誤（這一直為俄裔物理學(xué)家伽莫夫津津樂道）。 如果你喜歡我的推送，請別忘了關(guān)注一下公眾號 如果你覺得我的文章對你有幫助，請你打賞以致精神鼓勵 往期精彩文章： 《從哈勃到哈勃深空場（一）—“男神帶你肉眼看（仙女座）星云”》 《彈道導(dǎo)彈與巡航導(dǎo)彈的混血兒——伊斯坎德爾K》 《挑動“中導(dǎo)”之爭的“伊斯坎德爾-K”什么來頭？》 《衛(wèi)星導(dǎo)航定位先河--子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（7）》 《衛(wèi)星導(dǎo)航定位先河——淺談子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)軍事之用》 《NMD驚夢——SS-25“白楊”洲際導(dǎo)彈（六）》 《蘇聯(lián)陸基洲際彈道導(dǎo)彈（中）之——SS-18（撒旦）》 《沉默的羔羊還是披著羊皮的惡狼？——淺析敘利亞戰(zhàn)場上安靜的S-400防空導(dǎo)彈系統(tǒng)》 《重型獵鷹初窺》 《SpaceX崛起背后的NASA與ULA》 《SpaceX發(fā)射X-37b背后那些事兒》 《航天器的返回與回收之“桑格爾-錢學(xué)森彈道”上篇》 《美國航天飛機(jī)詳解：軌道飛行器1》 |
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