宇宙到底有多大? 人们仰望星空时,也许会异常平静,这种体验感很清晰(也可能毫无意义) 。 然而,对于那些有着无限的好奇心的人来说,凝视星空会带来无尽的疑问与谜团 。 在视界线的另一端会是什么呢?暗物质又是什么,它是做什么的呢?宇宙究竟有多大?
最后一个问题(至少在这三个问题中)是我们能够回答的,尽管答案并不那么容易理解 。 ,让我们不去涉及太多天体物理相关的话题,尽可能简单地回答这个问题:科学家们怎样知道宇宙有多大?
简短回答:借助具有不同观测距离的测量工具(三角视差、宇宙标准烛光、超新星亮度、星系红移、宇宙微波背景),可以创造一个宇宙距离阶梯,能够准确测量遥远的星系,以及宇宙的大小 。
太空中的距离是怎样测量的?
在我们了解到宇宙最大距离以十亿光年为单位之前,我们首先要从宇宙距离阶梯的第一级开始 。
从近距离开始-我们是可以用高中课堂上学过(且很快忘记)的基本三角函数尝试测量较近的宇宙距离,例如在太阳系内,或者银河系内与我们临近(不超过100光年)的宇宙 。 基本上只要你在一年中的某一刻测量一颗恒星在天空中一点的位置,然后在六个月后再次测量它的位置,就能够得到附近物体相对于天空中更遥远的恒星的位置 。
假使你知道地球轨道的长度,然后根据这两次测量得出的角度,就有可能计算出实际距离(感谢勾股定理!) 。 但是,如果一颗恒星离地球越远,它的位移就越小,角度的测量就由易变难,因此就需要用到宇宙距离阶梯的第二级 。
宇宙标准烛光----一旦超出了三角视差法的有效测量范围,天文学家们就会使用称作造父变星的恒星来测量,它们很常见且很明亮 。 这类特殊的恒星于1794年首次为人们发现,它们具有周期脉动的趋势,有规律地越变越亮或者越变越暗 。 更有意思的是,造父变星的脉动时间越长时,它就越亮;脉动时间越短,它就越暗 。
用视差法(见上文)来测量附近的造父变星,然后比较它们与更遥远的造父变星的脉动周期时间,就可以确定它们的真实亮度,从而计算出它们的距离 。 造父变星遍布我们的银河系,它们的存在甚至超出银河系外(8000万光年远),称为宇宙标准烛光,能够作为标准的距离标识,形成了宇宙距离阶梯的关键一级 。 ,
图解:船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一,由哈勃空间望远镜拍摄
超新星亮度----尽管8000万光年好像是一个惊人的距离,但是宇宙是它的1000倍以上,这也意味着宇宙距离阶梯需要运用别的层级 。 超新星的作用也就在这里显现了,不过主要是特定的双星系统中的超新星 。 在这些双星系统中,一颗恒星暴死成为了白矮星,而它的伴星存活下来,接着白矮星吸积伴星的物质,不断变大,直到质量超过太阳质量的1.4倍(也就是钱德拉塞卡极限) 。
在那时,又会发生一次巨大的爆炸,巨大到在半个可观测宇宙中都能看到,所释放的能量超出整个星系,也就形成了1A型超新星 。 已知爆炸质量的大小,天文学家们就能够计算出爆炸的绝对亮度,然后计算出遥远星系大概的宇宙距离 。
星系红移----在更遥远的距离----数百亿光年外----哈勃常数就起作用了 。 这是宇宙膨胀的测量单位,以埃德温哈勃命名 。 接下来的对话可能会有一些混乱 。 也许很难理解,但是除了宇宙在以不断增长的速度同时向各个方向膨胀外;宇宙中不同物体之间的空间也在膨胀 。 这种物体间的膨胀(和加速)与暗能量有关,超出了本文的讨论范围,但足以说明,所有物体都在远离其他物体,并且越来越快 。
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