找一把“尺子”,丈量星辰大海

天文學家找到的距離最遠的天體,已經接近可觀測宇宙的邊緣,也即100多億光年之遙。近日,利用開普勒望遠鏡數據,天文學家又發現一顆與地球個頭相仿的行星K2-229b。雷達測距法已成為量測太陽系內某些天體距離的基本方法之一。而且原則上,可量測極遙遠天體的距離,是天體物理中極其重要的“量天尺”。

NASA

天文學家找到的距離最遠的天體,已經接近可觀測宇宙的邊緣,也即100多億光年之遙。但你有沒有想過,這麼遠的距離,天文學家是如何量測出來的?

近日,利用開普勒望遠鏡數據,天文學家又發現一顆與地球個頭相仿的行星K2-229b。這顆行星距離地球2.6億光年,即24萬億公里。以人們的日常經驗來說,這是非常遙遠的距離。而相對於半徑137億光年的可觀測宇宙,行星K2-229b可以算得上是地球的近鄰。宇宙這麼大,天文學家是如何量測天體的距離的呢?

20世紀初雷達發明以後,通過發射無線電脈衝,然後接收其遇到物體後反射的回波,可以準確量測目標天體的距離。雷達測距法已成為量測太陽系內某些天體距離的基本方法之一。但是,當距離增大到一定水准時,電磁波就會很弱,無法有效返回。對於更遠的天體,天文學家有更多、更奇妙的測距方法。

在天空畫一個大三角

在浩瀚無垠的宇宙中,我們所在的太陽系實在太渺小了。天文學家希望知道更遙遠空間中的其它恒星乃至更遙遠的星系離我們到底有多遠。

“19世紀的天文學家已經發現,有些恒星相對於天空中的其它更加遙遠的天體,其位置在不同季節是變化的。以太陽和地球的距離作為基準線,量測部分恒星的位置變化,利用三角測量法,就可以獲得這些恒星的距離。”中國科學院國家天文臺副研究員張天萌告訴科技日報記者。

這種測量法也被稱為“三角視差法”,它是一種利用不同視點對同一物體的視差來測定距離的方法。1838年德國天文學家弗裏德裏希·威廉·貝塞爾第一次成功地用這種方法測定天鹅座61號星的距離。對同一個物體,分別在兩個點上進行觀測,兩條視線與兩個點之間的連線可以形成一個等腰三角形,根據這個三角形頂角的大小,就可以知道這個三角形的高,也就是物體距觀察者的距離。

為了更好地理解這種距離量測科技,我們可以做一個簡單的實驗。伸出你的一根手指放在雙眼正前方,用物體遮蓋住左眼用右眼觀察手指在你面前的位置,然後再遮蓋住右眼用左眼觀察,你會發現手指在你面前移動了一段距離。這種視運動就叫做視差。實際上手指並沒有移動,而是觀察角度不同的緣故。在這個實驗中,雙眼的距離充當著等腰三角形的底邊。

清華大學物理系教授王曉鋒介紹,當我們要量測恒星的距離時,可以選擇1月份地球在公轉軌道中的位置作為始點,7月份地球在公轉軌道中的位置作為終點,這兩點連成的線段作為“底邊”;然後在1月和7月分別觀察被測恒星相對於鄰近背景天體的位置,就可以得到恒星的視差值,這樣就可以利用“底邊”的長度和視差值計算出恒星的距離。

但是,當恒星的距離超過一定數量時,視差角會變得太小,不能準確量測,視差測距的方法不再有效。

恒星的真實亮度是多少

當天體距離更為遙遠時,天文學家使用一種被稱為光譜視差的方法來量測距離。在天文學上恒星的亮度一般用星等來表示,直接量測到的天體亮度被稱為視星等,而把天體置於10秒差距的距離處所得到的視星等稱為絕對星等,它反映天體的真實發光本領。“如果我們觀測到了恒星的光譜,可以知道一些類型恒星的絕對亮度(絕對星等),就可以利用光譜視差法來獲得這些恒星的距離。這個方法的測距準確度比前面的恒星三角測量法低,但把可以量測的範圍大大擴大。”張天萌說道。

可以用燈泡來解釋恒星的絕對星等與視星等的關係。燈泡的絕對亮度相當於絕對星等,但是在一個大房間裏,距離燈泡近的地方明亮,遠的地方昏暗,這就是視亮度。很顯然,如果知道了恒星的絕對星等和視星等,就能够計算出它的距離。

恒星的視星等比較容易測定,用測光儀器就可以得到亮度的數據。恒星的絕對星等的量測可以借助赫羅圖來測定。赫羅圖表示恒星的發光度與其光譜型的關係。圖上的每一點代表一個已知發光度和光譜型的恒星。恒星的表面溫度基本上决定了光譜中哪些譜線更明顯,通過仔細分析恒星的光譜,天文學家可以得出其光譜型及對應的恒星分類,由此可根據赫羅圖得出恒星的發光度,也就是絕對星等。這樣一來,距離就量測出來了。但如果天體與我們的距離較遠,比如超出銀河系的範圍,這種方法不再適用和精確。

光變週期也是線索

銀河系只是宇宙中數千億個星系中的一個。離我們最近的鄰居星系之一,如仙女座星系的距離,就無法通過光譜視差法知道。

1784年,英國天文學家古德裏克在研究仙王座恒星時,發現恒星造父一的亮度會有規律地變化。他觀察到造父一的光度週期是5.37天。張天萌表示,後來通過研究銀河系中的恒星,天文家發現有一類恒星和造父一相似,光度會週期性變化。它們的光變週期與其絕對亮度有很好的相關性:光變週期越長,絕對亮度越大。天文學家將類似的變星稱為造父變星,並利用它們光度變化週期與光度的關係(周光關係)來量測它們的距離。

“隨著望遠鏡科技的發展,以哈勃空間望遠鏡為首的設備,可以觀測到一些距離我們比較近的星系中的此類變星的亮度變化週期。利用周光關係,就可以計算這些變星的絕對亮度,並進一步比較準確地獲得這些恒星所在星系與我們的距離。”張天萌說道。

如果把視線往更遠處延伸,我們已經很難看到恒星所發出來的微弱光芒。天文學家找到了比恒星亮數十億倍的天體:超新星。其中比較特殊的一類,即I a型超新星由於特殊的爆發機制,具有大致相同的亮度,只是因為距離不同而看起來明暗不一。天文學家把它們作為標準燭光,量測更加遙遠的距離。

哈勃定律來幫忙

天文學上最常用的測距方法,是量測天體發出譜線的紅移。

生活中,我們會發現當火車向我們駛來時,火車的汽笛聲會越來越尖;當火車離我們而去時,聽到的聲音越來越低沉。這是物理學上的多普勒效應。

當光源相對我們運動時,也會發生類似的現象。當光源離開觀察點時,觀察點所接收到的波源發出的波的波長會變長,也即紅移;當光源接近觀察點時,觀察點所接收到的波源發出的波的波長會變短,也即藍移。紅移或藍移的量,與光源相對我們的速度有關。20世紀20年代,美國天文學家埃德溫·哈勃研究了銀河系外星系的光譜,發現銀河外星系都存在譜線紅移,並且星系距離和紅移量成正比。這說明,所有星系都在遠離我們而去。而根據哈勃定律,能從譜線的紅移量,推算出這些天體與我們的距離。

這種方法後來被廣泛用於量測天體距離。而且原則上,可量測極遙遠天體的距離,是天體物理中極其重要的“量天尺”。

資料標籤: 天文 恒星形成 科學
本文標題: 找一把“尺子”,丈量星辰大海
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1678161331318237
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