当一个天文学家用望远镜观察一颗遥远的恒星时,他是如何计算出那颗恒星离我们有一百万光年或一亿光年远呢?

时间:2020-07-14 09:15:20   作者:
天文学家使用不同的方法来确定物体的距离——通过知道距离,一个人就可以知道他观察到的光的年龄。这些方法一起创造了宇宙距离阶梯:一些方法只能用于近距离,其他的只能用于中间距离,等等。梯子的每一级都提供了可以用来确定下一级的距离的信息。

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来源:美国国家航空航天局

视差

在一年中,随着地球绕太阳公转,恒星的视位置似乎相对于远得多的恒星稍微移动了一些。你自己可以很容易地观察到这个现象。将你的手臂向前伸展,拇指向上。现在看你的拇指,在闭左眼和闭右眼之间进行交换。你的拇指看起来会相对于背景移动。这种现象被称为视差。通过测量表面运动的角度,并知道地球在绕太阳运行的轨道上移动了多远,就可以测量到与恒星的距离。从地面上看,这种方法在1000光年以外的地方也能很好地工作。

视差角非常小,以弧秒计:1/3600度。这个角度随着恒星离太阳距离的增加而减小。距离单位秒(视差秒)与此直接相关:1秒差(3.26光年)指的是视差为1角秒的物体。比邻星是距离太阳最近的恒星,距离太阳1.3秒差(4.25光年)。

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变星

有些恒星,如米拉或大星,会改变它们的亮度,按常规的时间尺度变得更亮或更暗。这些脉动变量的一个重要类型是造父变星,以发现的第一颗此类恒星命名:造父变星Delta。他们发现,它们的绝对光度与它们达到亮度最大值所花的时间直接相关——换句话说,与它们的脉动周期有关。因此,计算造父变星的距离是可能的。

由于造父变星是非常明亮的恒星,在整个银河系甚至在附近的星系中都可以看到它们。这使得天文学家能够测量远超过视差法范围的距离。这样,造父变星就成为天文距离测量的重要工具。

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资料来源:NASA, ESA,哈勃遗产团队(STScI/AURA)-哈勃/欧洲合作

超新星

超新星是恒星明亮而猛烈的爆炸。天文学家区分了两种超新星。Ia型超新星可用于距离测量。这种类型发生在紧密结合的双星系统中——两颗恒星互相绕着对方运行。在其中一颗恒星是小而致密的白矮星的系统中,白矮星可以吸走另一颗恒星的质量,从而变得更大。一旦白矮星的质量超过太阳的1.4倍(称为钱德拉塞卡极限),它就无法维持额外的质量,并爆炸成为Ia型超新星。

由于所有Ia型超新星都经历相同的物理过程,所以它们都具有相同的内在亮度。通过分析它们的亮度,天文学家可以测量它们与我们的距离。Ia型超新星已成为宇宙学中测量距离最重要的标准点之一。

由于Ia型超新星足够明亮,足以在短时间内照亮整个宿主星系,因此它们可以用来测量遥远物体的距离,也可以用来校准某个星系的红移。这有助于我们更好地理解宇宙的膨胀,甚至表明宇宙的膨胀正在加速。

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宇宙学红移

与宇宙中最遥远物体的距离只能通过测量它们光的宇宙红移来确定。由于宇宙的膨胀,遥远星系发出的光在向我们移动时被拉长,波长变长、变红。一个物体离我们越远,它发出的光就会越偏向红色波长。

在20世纪80年代,天文学家分析了宇宙红移和遥远的超新星爆炸之间的关系,发现宇宙的膨胀不是恒定的。他们的结果表明宇宙正在加速。这个结果是关于宇宙中神秘暗能量存在的第一个观测提示之一。

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