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那千万光年的距离,天文学家咋测的?

未知
2014-11-15 11:33:54

  很多人对天文学家们的工作怀有偏见,认为他们的工作有时候跟猜谜语差不多,今天说某恒星距离我们100万光年,过一久可能又会说,这颗恒星其实距离我们130万光年。

  想想也是,连每秒30万千米的光都要跑几百年,怎么这么容易就被你给测出来了?

  对天文学的这种偏见,如果你现在依然存在,那么现在,等你了解到他们测量距离时所使用的精妙办法后,也许你马上就会放下偏见,并有可能对天文感兴趣。

  一个聋哑人

  放眼望去,夜空中的星星貌似都是一样的,其实不然,眼见为实这句话有时候是靠不住的,而这主要是因为我们的肉眼还不够强悍。天天对着深空观察的天文学家告诉我们,星星们各有各的性格和脾气,有的经常打嗝,有的偶尔搞喷射,有的正犯更年期……反正,它们就是从来没消停过。宇宙多姿多彩,奇妙无比,波澜壮阔非我们所能想象。

  过去的人,也许是没有了各种诸如社交网络的诱惑和干扰,似乎要比我们厉害得多,这不,有一个人,刚到21岁就混得了一个头衔——天文学家!而且,人家还是一聋哑人。

  这个聋哑人,就是英国天文学家古德利克,他一出生就听不见任何声音,这便是聋了。虽然其嗓子完美无缺,可因为听不见别人说话,所以也就无从教他说话,这便是哑了。哑比聋好,因为哑不会演变成聋,但聋却会再次造成哑。

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  说完古德利克,我们再来介绍一颗星——英仙座β星,中文名叫大陵五。大陵五这颗星有一个特点,就是亮度会变,没几天,亮度就变暗了,过不久,又重新变亮。古人认为,恒星都应该是恒定不变的,像大陵五这种变来变去的家伙,太可怕了,所以希腊人把大陵五称为”妖魔星”,并在神话故事里,把它当作女妖怪美杜莎的化身,美杜莎女妖怪的头发都是一条一条的小蛇,并且谁看了她都会变成石头。

  传说中的大陵五似乎很可怕,但古德利克不怕,他常常在冬夜静寂的野外独自观察这颗魔星,并在他18岁时提出一个观点,他认为,大陵五之所以会发生亮度变化,这是因为,大陵五与一颗暗星组成了一个双星系统,两颗星绕共同质心运动,当暗星挡住大陵五的光时,大陵五就会变暗,就这么简单。现在,我们知道,古德利克是完全正确的,而他早在1782年就做出如此天才的发现,非常了不起。

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  造父变星

  古德利克研究这种亮度变化的星上了瘾,随后,他又发现了一种变星,这便是仙王座δ星,中文名“造父一”,他又一次正确地指出,造父一之所以亮度变化,不是因为双星掩食,而是其本身的光度在不断变化。后来,人们把这种自身光度不断变化的星统称为造父变星。而咱们熟悉的北极星也是一颗造父变星。

  正当古德利克准备对变星作进一步研究,大展宏图之时,病魔夺去了他的生命,享年21岁多。

  话说,造父变星这种星,其明暗变化很有规律,拿造父一来说,它从最暗变到最亮,再从最亮变到最暗,这一个光变周期,耗时5天8小时47分28秒,不用怀疑,之所以精确到秒,是因为光度的变化很容易测出来。

  不同的造父变星有不同的光变周期,而对于那些长周期造父变星(也叫经典造父变星),其光变周期一般在1天至50天内。

  咱们本来说天文学上的测距,现在扯造父变星干嘛呢?因为,造父变星后面隐藏着一个大秘密!正是对这个秘密有所窥探,才造就了哈勃后来的丰功伟绩,这是个什么秘密呢?又是谁第一个发现了它?

  又一个聋哑人

  此人就是美国的天文学家亨丽爱塔·勒维特,很奇怪,她也是一位聋哑人。从1893年起她就在哈佛大学天文台,主要工作就是看感光照片上的那些星星,并按亮度给它们分类排序。据说勒维特一开始是作为志愿者干这个枯燥的工作,但后来的工钱是每小时25美分。

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  经过多年观察,勒维特于1908年发现,小麦哲伦云中的25颗造父变星呈现出这样一个规律:造父变星的光变周期越长,视星等就越小,恒星视星等越小,看上去就越亮。

  这个规律的意思是,如果一颗星,它从最暗变到最亮,再从最亮变成最暗,这个时间跨度越长,那么,这颗星从地球上看去就越亮。

  可以说,这是一个很容易发现的发现,但却是一个伟大的发现。

  那么,勒维特的这个伟大发现到底有什么用呢?没什么用,因为恒星的亮度跟距离有关系,月球看上去比北极星亮多了,但月球真实的发光能力有北极星强吗?所以,光知道视星等没啥用,恒星真实的发光能力——绝对星等,才是最重要的。

  但是别急,小麦哲伦星云距离我们很是遥远,大约20万光年,于是我们可以忽略小麦哲伦星云中众恒星间的距离,可以看作,那里的亿万恒星与地球的距离都是一样一样的。这就好比,在月球上有十几座临近的山,虽然这十几座山互有间距,但我们依然可以说,月球上这十几座山与地球的距离是一样的,这个,你没意见吧?

  既然,在小麦哲伦星云中的那25颗造父变星与地球的距离是一样的,而且观察到其光变周期越大,肉眼看上去就会越亮,那这等于是在告诉我们:光变周期越大,恒星的绝对亮度就越大,因为距离已经恒定。

  这个发现很重要,恒星的绝对亮度类似于电灯泡的瓦数,瓦数越大,电灯泡越亮。想象一下,甭管是距离我们1光年,还是1000万光年,只要观察恒星的光变周期,就能轻易地知道这颗恒星真实的发光能力,这太帅了。

  假设3光年处,某造父变星的光变周期是3天8小时2分38秒,而500万光年处,观察到某恒星的光变周期也是3天8小时2分38秒,那么,就几乎可以认为,这两颗星虽然距离不一样,但它们的绝对亮度是一样的。

  试想,夜里,已知1个灯泡与我们的距离是5米,功率是100瓦,现在还可以用光度计轻易地测出灯泡的视星等(就是肉眼看去,灯泡有多亮)。现在,把这个灯泡移至另一个更远的未知位置,此时,我们仍然能知道两个量,一是灯泡的功率还是100瓦(因为光变周期一样),二是其视星等也可以轻易求出。

  只要知道这两个量,就可以利用一个数学式求出此刻的灯泡距离我们有多远了。这很容易理解,因为距离越远,亮度就越小,亮度与距离有一个数学关系式。

  当然,用造父变星去测量天体的距离,还需要做一些“琐碎”的工作,比如“零点标定”等问题,但是,这些繁琐的细节交给天文学家们去做就好了,我们只要明白:你平时看到的哪些动辄几百万光年的天文距离,这些大数据的得出不是天文学家们拍脑子估计的,而是通过严密的数学求出的,这就够了。

  科学的美妙之处就在于,一个红苹果高高在上,无论怎么跳也够不着,但是如果使用科学的方法和思维后,拐几道弯,那个红苹果就被拿下了。

  用造父变星来计算距离很酷,只要去测量它的光变周期就行了,而测量光变周期那是相当的容易,而且很精确,能精确到秒。

  很多河外星系离我们都很遥远,动辄几千万光年,这样的距离,用普通方法是不可能测出来的。这时,我们只要能找到星系中某颗造父变星,测出其光变周期,从而求出恒星的距离,继而也就测出了星系与我们的距离。所以,对于天文学家们来说,造父变星有时候就是他们的最后一根救命稻草。

  正因此,天文学家们对造父变星十分垂爱,爱到想亲切地称呼它为:量天尺!

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