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宇宙距離測量
對(duì)于宇宙距離的測量，科學(xué)家們已經(jīng)逐漸發(fā)展出多種測定遙遠(yuǎn)星系距離的方法。
如何測量宇宙有多大?
沙普利和柯蒂斯的辯論
沙普利相信我們的銀河系直徑大約30萬光年。
按照我們目前的最新認(rèn)識(shí)，沙普利得到的這個(gè)數(shù)據(jù)幾乎比實(shí)際情況大了3倍左右，但在當(dāng)時(shí)，他的測量結(jié)果已經(jīng)屬于相當(dāng)精確了。
尤其難能可貴的是，他對(duì)銀河系內(nèi)部的一個(gè)參數(shù)計(jì)算地相當(dāng)準(zhǔn)確，那就是太陽系距離銀河系中心的距離。
然而在20世紀(jì)初，30萬光年這樣的數(shù)字在沙普利的同行們看來實(shí)在太過驚人了。
而在很多當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家眼們看來，如果說我們從望遠(yuǎn)鏡中看到的那些旋渦星系，它們可能都是像銀河系這樣規(guī)模的巨型星系，那已經(jīng)近乎是荒誕的了。
事實(shí)是，沙普利本人也的確認(rèn)為銀河系一定是獨(dú)特的。
他曾經(jīng)對(duì)一位聽眾表示：“那些遙遠(yuǎn)星系的旋臂即便也是由恒星構(gòu)成的，那它們?cè)谝?guī)模上也是無法和我們的銀河系相提并論的。”
但柯蒂斯不同意這樣的觀點(diǎn)。
他正確地指出，在宇宙中存在著很多和銀河系一樣規(guī)模巨大的星系。
但有趣的是，柯蒂斯此番論點(diǎn)的出發(fā)點(diǎn)是，他認(rèn)定銀河系的規(guī)模肯定要比沙普利計(jì)算得到的結(jié)果要小得多。
根據(jù)柯蒂斯的計(jì)算，銀河系直徑只有大約3萬光年——這比現(xiàn)代測量數(shù)值大約小了3倍。
于是這場辯論就出現(xiàn)了在現(xiàn)在看來非常有意思的的雙方：一方計(jì)算的銀河系大小比實(shí)際大了3倍，另一方則比實(shí)際小了3倍，而雙當(dāng)都對(duì)自己的結(jié)果堅(jiān)信不疑，對(duì)對(duì)方的結(jié)果嗤之以鼻。
當(dāng)然，考慮到這是一場在差不多100年前舉行的辯論，在測量上出現(xiàn)這樣的誤差是完全可以理解的。
1宇宙距離階梯一：無線電反射
今天，我們已經(jīng)可以相當(dāng)有信心地認(rèn)為，銀河系的直徑大約為10萬光年。
而我們能夠觀察到的宇宙范圍當(dāng)然還要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越這一尺度。
根據(jù)最新的理論，我們能夠觀察到的整個(gè)宇宙范圍，即所謂的“可觀測宇宙”的直徑大約為930億光年。
那么我們究竟是如何得到這一結(jié)果的?我們，生活在塵埃一般地球上的小小生物，我們?cè)趺纯赡軠y定這樣廣袤的距離數(shù)值?
自從波蘭天文學(xué)家哥白尼提出日心說以來，我們似乎一種都難以擺脫自身在認(rèn)識(shí)宇宙方面的先入之見，而這一點(diǎn)在關(guān)于宇宙究竟有多大這一點(diǎn)上尤為明顯。
甚至在今天，隨著最新數(shù)據(jù)的獲得，宇宙的大小也仍然在不斷顛覆我們此前的認(rèn)識(shí)，迫使我們不斷更新自己的觀念。
凱特琳·卡西(Caitlin Casey)是美國德克薩斯州奧斯汀德州大學(xué)的一名天文學(xué)家，專業(yè)就是宇宙學(xué)。
她指出，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)展出一整套天才的工具和手段，不僅用于計(jì)算地球到太陽系內(nèi)其他天體的距離，也同樣能夠被用于測算星系之間的距離甚至是整個(gè)可觀測宇宙的大小。
測量所有這些距離的手段被稱作“宇宙距離階梯”(cosmic distance ladder)。
這個(gè)階梯的第一級(jí)是最容易的，而在今天，這一級(jí)階梯也廣泛借助于現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)。
卡西表示：“我們可以直接向近距離的行星表面發(fā)射無線電波并接收反射信號(hào)，比如金星和火星，并測量信號(hào)往返所需要的時(shí)間。
這將可以給出非常精確的距離數(shù)值。”
設(shè)在波多黎各島上的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡口徑305米，目前是世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡，但很快就將被中國貴州口徑500米的FAST射電望遠(yuǎn)鏡超過
大型射電望遠(yuǎn)鏡，比如設(shè)在波多黎各島上的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡就能夠勝任此類工作，但這類設(shè)備能夠完成的工作還有更多。
比如阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)b遠(yuǎn)的小行星進(jìn)行觀察，并根據(jù)無線電信號(hào)在這些小行星表面的反射特征繪制出其地表形態(tài)地圖。
但使用射電望遠(yuǎn)鏡測量太陽系之外天體的距離則顯得有些不切實(shí)際了。
此時(shí)，我們需要使用的三角視差方法。
2宇宙距離階梯二：三角視差法
這種方法其實(shí)我們平常也都一直在使用，只是我們完全都沒有意識(shí)到。
人類和許多動(dòng)物一樣，能夠本能地判斷自身與遠(yuǎn)方物體之間的距離，這首先要?dú)w功于我們長著兩只眼睛。
如果你把一個(gè)物體放在眼前，然后張開一只眼睛閉上另一只眼睛，然后換一邊眼睛再重復(fù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)好像你放在眼前的物體稍稍移動(dòng)了位置。
這就是視差。
類似這樣兩次觀測之間存在的差異性能夠被用于計(jì)算所觀測物體的距離。
我們的大腦會(huì)根據(jù)來自兩只眼睛所提供的觀測信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行距離判斷，而天文學(xué)家對(duì)距離較近的恒星進(jìn)行測距，所采用的方法與此并無二致，唯一的不同可能就在于他們使用的感受器不同，不是眼睛，而是望遠(yuǎn)鏡。
我們賴以生存的太陽就是一顆主序星
請(qǐng)想象有兩只眼睛在太空中自由漂浮，且它們的位置分別位于太陽的兩側(cè)——其實(shí)這也正是我們正在做的事情——由于地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們每一年都會(huì)有半年的時(shí)間 在太陽的一側(cè)，另外半年在太陽的另一側(cè)。
如此，當(dāng)我們?cè)诙旌拖奶煊^察恒星時(shí)，就能夠利用它們相對(duì)于遙遠(yuǎn)宇宙背景上的位置變化來測算其距離。
卡西表示：“我們?cè)谝荒曛械哪硞�(gè)時(shí)間測定一顆恒星在天空中的位置，比如說在1月份進(jìn)行這樣的測定。
然后我們就要再等上6個(gè)月的時(shí)間，隨后在7月份對(duì)同一顆恒星進(jìn)行同樣的測定，此時(shí)我們正處于地球軌道上太陽的另一側(cè)。”
然而，這一方法也有其自身的局限性，那就是當(dāng)恒星的距離太過遙遠(yuǎn)——大約100光年以外，此時(shí)這些恒星所顯示出的視差值就太小了，無法進(jìn)行有意義的計(jì)算。
但即便在這樣的距離上，我們也仍然遠(yuǎn)未接近我們銀河系的邊緣。
此時(shí)，我們需要一種被稱作“主序擬合”。
其有賴于我們對(duì)不同大小的恒星(即所謂“主序星”)隨時(shí)間演化過程的認(rèn)識(shí)。
3宇宙距離階梯三：主序擬合法
有一件事是肯定的，那就是隨著時(shí)間推移，這些恒星的顏色會(huì)逐漸變得更紅。
通過對(duì)這些恒星顏色和亮度的精確測定，并將這些恒星與那些距離較近，因而已經(jīng)運(yùn)用視 差方法測定過距離的主序星進(jìn)行對(duì)比，通過這種方法，我們將能夠大大延伸我們的宇宙測量標(biāo)尺，從而得以估算遙遠(yuǎn)的多的恒星的距離。
這一方法背后的基本前提是：我們認(rèn)為那些質(zhì)量相似，年齡相仿的恒星，如果它們的距離相同，那么它們的亮度也應(yīng)該是一樣的。
但事實(shí)是，這些恒星看上去都是不一樣亮的，這也就意味著它們的距離遠(yuǎn)近不同。
當(dāng)被用于此類分析時(shí)，主序星常常被視作一種“宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光”——只要測定它們的星等(亮度)我們就能推算它們的距離。
這樣的標(biāo)準(zhǔn)燭光遍布整個(gè)空間，以一種可預(yù)測的方式照亮著宇宙。
但主序星還并非故事的全部。
船尾座RS，一顆典型的造父變星。
哈佛大學(xué)的女天文學(xué)家勒維特最早發(fā)現(xiàn)了這類特殊變星的光變周期與真實(shí)亮度之間的關(guān)系
類似這種對(duì)于恒星亮度與距離之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，在對(duì)更加遙遠(yuǎn)的天體進(jìn)行距離測定時(shí)仍然顯得十分關(guān)鍵——比如那些位于其他星系內(nèi)部的恒星。
然而在這樣的距離上， 主序擬合測距方法已經(jīng)開始顯得力不從心，因?yàn)檫@些天體往往都在數(shù)百萬光年之外甚至更遠(yuǎn)，對(duì)它們進(jìn)行精確的測距變得愈發(fā)困難重重。
4宇宙距離階梯四：造父變星和宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光
但在1908年，美國哈佛大學(xué)的一名女性科學(xué)家亨麗愛塔·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)取得了一項(xiàng)極其重要的發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將幫助天文學(xué)家們對(duì)極其遙遠(yuǎn)的天體進(jìn)行測距。
勒維特意識(shí)到，宇宙中存在著一類特殊的恒星，叫做“造父變星”(Cepheid variable)。
卡西指出：“勒維特發(fā)現(xiàn)，這類特殊恒星的亮度會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化，并且其亮度變化周期與其真實(shí)亮度之間存在直接關(guān)聯(lián)。”
概括的說，就是造父變星的光變周期與其光度之間存在關(guān)聯(lián)，且其光變周期越長，光度越大。
換句話說，相比那些較為暗弱的造父變星，那些明亮的造父變星“脈動(dòng)” 的周期更長(一般光變周期可以長達(dá)數(shù)天)。
因?yàn)樘煳膶W(xué)家們可以相對(duì)容易地測定光變周期，這樣他們也就能夠得到這顆恒星的真實(shí)亮度數(shù)據(jù)。
于是，反過來，只要 觀察一顆造父變星的亮度，我們就能夠計(jì)算出它們的實(shí)際距離。
從本質(zhì)上說，造父變星法與主序擬合方法是類似的，在這兩種方法中，亮度都居于核心地位。
但問題的關(guān)鍵就在于我們又找到了測量遙遠(yuǎn)天體距離的一種新的手段。
而我們所擁有的“量天尺”種類越多，我們也就越能夠理解宇宙的真實(shí)尺度。
對(duì)于沙普利而言，正是造父變星的發(fā)現(xiàn)才最終說服了他，讓他確信銀河系如此巨大的尺度。
在上世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃在臨近的仙女座大星系中辨認(rèn)出了造父變星，他據(jù)此計(jì)算認(rèn)為仙女座大星系距離我們大約僅有100萬光年左右。
今天，我們對(duì)仙女座大星系距離的最佳估算值大約是254萬光年左右。
但這樣的誤差絲毫無損于哈勃的名聲。
事實(shí)上，直到現(xiàn)在我們?nèi)栽诓粩嗯π拚覀儗?duì)于仙女座大星系精確距離的測量數(shù)值。
上面提到的254萬光年實(shí)際上也只是最新幾個(gè)不同測量數(shù)據(jù)的平均值而已。
這只是其中的一個(gè)案例，表明宇宙中天體距離的測定，即便是在今天，仍然是多么令人感到棘手。
我們可以做一些相對(duì)靠譜的估算，但要想精確計(jì)算宇宙中星系之間的距離其實(shí)是一件極其困難的事情。
宇宙實(shí)在太大了，它并不會(huì)止步于此。
哈勃同時(shí)也對(duì)一類白矮星爆發(fā)——即所謂Ia型超新星的亮度進(jìn)行了測定。
這些天體的亮度極高，能夠在極其遙遠(yuǎn)的距離上被觀測到，尺度可以延伸數(shù)十億光年之遙。
由于這類特殊超新星爆發(fā)的亮度已經(jīng)能夠從理論上進(jìn)行計(jì)算，天體物理學(xué)家們斷定所有的Ia型超新星的亮度都是基本相同的。
這樣一來，就像造父變星一樣，我們只要觀察它們的亮度便可以直接得到它們的距離數(shù)值了。
也因?yàn)橐陨系脑�，Ia型超新星和造父變星兩者都被天文學(xué)家們親切地稱作宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。
但在宇宙中，還有一種非常特殊的工具，能夠幫助我們對(duì)極端遙遠(yuǎn)的天體進(jìn)行測距，這種工具就是紅移。
5宇宙距離階梯五：紅移
在日常生活中你或許有過這樣的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一輛救護(hù)車或者警車從你面前駛過時(shí)，當(dāng)車向你的位置駛來時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)警報(bào)聲越來越尖銳，而當(dāng)車逐漸遠(yuǎn)去時(shí)，警報(bào)聲調(diào)也 就隨之逐漸降低了。
這一現(xiàn)象的背后其實(shí)是一種物理原理，被稱作“多普勒效應(yīng)”——當(dāng)車輛向你靠近時(shí)，聲波被壓縮，頻率增高，聲音變得尖銳;反之聲波波長被 拉升，聲調(diào)降低。
生活中警車和救護(hù)車的警笛聲是我們對(duì)于聲波多普勒效應(yīng)的最直接感受
對(duì)于光波，情況也是類似的，只是尺度要精細(xì)的多。
我么可以通過對(duì)遙遠(yuǎn)天體光線的光譜分析檢測這種效應(yīng)。
恒星光譜中會(huì)有一些暗線，這是光源發(fā)出的光線中由于某些類型的元素被吸收而產(chǎn)生的吸收線。
觀測顯示，所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，并且距離我們?cè)竭b遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離的速度越快，這就是著名的哈勃定律，它背后的本質(zhì)是宇宙的膨脹。
和上面警報(bào)聲的情況相似， 星系遠(yuǎn)離我們的速度越快，其波長的拉升程度越明顯，在光譜中的表現(xiàn)便偏向紅端，被稱作紅移。
那么基于哈勃定律，可以發(fā)現(xiàn)，星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，它們光譜中表 現(xiàn)出的紅移量也會(huì)越大。
因此反過來，對(duì)遙遠(yuǎn)星系光譜紅移的觀測也為宇宙膨脹理論提供了堅(jiān)實(shí)的觀測證據(jù)。
美國宇航局項(xiàng)目科學(xué)家卡迪克·賽斯(Kartik Sheth) 說：“這就像在一個(gè)氣球表面畫上很多的點(diǎn)——每一個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)星系，然后把氣球吹氣，你會(huì)發(fā)現(xiàn)所有點(diǎn)之間的相互距離都在增大。
這和宇宙中的情況有些相 似，隨著宇宙的膨脹，每一個(gè)星系都在互相遠(yuǎn)離。
”他說：“基本上，從天體發(fā)出的電磁波的波長是不會(huì)改變的，但由于時(shí)空本身的膨脹，電磁波的波長被拉伸 了。”
星系的退行速度越高，它們距離我們就越遠(yuǎn)，它們的光譜紅移特征就越明顯。
正是埃德溫·哈勃對(duì)遙遠(yuǎn)星系中的造父變星進(jìn)行觀察，并將其觀測結(jié)果與這些恒星的光譜紅移值之間建立關(guān)聯(lián)。
現(xiàn)在，我們抵達(dá)了一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
我們接收到紅移最大的電磁波信號(hào)顯示其來自138億光年之外。
換句話說，這是我們能夠觀察到的最古老的光線，這也在一定程度上向我們透露了宇宙本身的年齡。
可觀測宇宙有多大?直徑930億光年
哈勃望遠(yuǎn)鏡眼中的宇宙深處。
我們能夠觀察的宇宙空間直徑大約是930億光年
但必須考慮到一個(gè)事實(shí)，那就是在過去的138億年間，宇宙一直在持續(xù)膨脹——并且膨脹的速度非常迅速。
將這一因素納入考慮之后，天文學(xué)家們的計(jì)算結(jié)果顯示，那些從138億光年外發(fā)出的光線，產(chǎn)生這些光線的古老天體，由于宇宙的膨脹，今天它們和我們之間的距離已經(jīng)達(dá)到了大約465億光年左右。
這一數(shù)值是我們目前對(duì)于可觀測宇宙半徑的最佳估算。
將這一數(shù)值乘上一倍，我們就能獲得可觀測宇宙的直徑，大約是930億光年。
這一數(shù)值基于很多不同測量方式得到的結(jié)果，它是數(shù)個(gè)世紀(jì)以來科學(xué)家們不懈努力的結(jié)晶。
但正如卡西所指出的那樣，即便到現(xiàn)在，我們對(duì)于宇宙尺度的認(rèn)識(shí)仍然是比較粗糙的。
僅舉一例，考慮到我們能夠探測到的一些最古老星系情況的復(fù)雜性，目前仍然不清楚為何這些星系能夠在宇宙大爆炸之后這么短的時(shí)間內(nèi)就形成。
其中一種可能性是，我們?cè)谀承┉h(huán)節(jié)的計(jì)算上可能仍然存在缺陷。
卡西表示：“如果在這一宇宙階梯上，有一級(jí)的長度要減掉10%，那么每一級(jí)都要跟著減掉10%，因?yàn)楸举|(zhì)上它們每一級(jí)都是相互基于，層層遞進(jìn)的。”
而當(dāng)我們嘗試思考更加遙遠(yuǎn)的宇宙空間，也就是我們所言的“可觀測宇宙”之外的區(qū)域，或者說“整個(gè)”的宇宙。
取決于你所采用的宇宙形態(tài)模型，你最后將得到的宇宙可能將是有限的，也有可能是無限的。
近期，英國牛津大學(xué)的米漢·瓦達(dá)揚(yáng)(Mihran Vardanyan)和同事們對(duì)可觀測宇宙中的已知天體數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，試圖從中探尋整個(gè)宇宙的真實(shí)形態(tài)。
分析的結(jié)果如何?在使用計(jì)算機(jī)算法對(duì)數(shù)據(jù)中有意義的模式進(jìn)行挖掘之后，他們得到一個(gè)新的估算值。
計(jì)算結(jié)果顯示整個(gè)宇宙的大小大約是可觀測宇宙的250倍左右。
但是除了這樣的理論估算和模型之外，我們實(shí)際上對(duì)于真實(shí)宇宙的大小仍然了解很少。
當(dāng)然，對(duì)于絕大部分的人來說，可觀測宇宙已經(jīng)足夠廣大。
而對(duì)于像卡西和賽斯這樣的科學(xué)家而言，宇宙則永遠(yuǎn)是他們探索知識(shí)的無盡曠野。
賽斯表示：“我們所了解到的任何宇宙知識(shí)——它有多大，以及宇宙中所有那些美妙的天體——我們對(duì)所有這些的了解，都源于我們我們使用探測器、相機(jī)，還有我們的射電天線，對(duì)于那些已經(jīng)在宇宙中傳播了數(shù)十億乃至上百億年之久的電磁波所做的觀察和分析。”
卡西說：“這讓人感到謙卑。
天文學(xué)教會(huì)我們，我們并非宇宙的中心，我們甚至不是太陽系的中心，而太陽系也遠(yuǎn)非銀河系的中心。”
有朝一日，我們或許將有機(jī)會(huì)飛行到遠(yuǎn)比今天我們所能抵達(dá)更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處，當(dāng)前我們能做的還只是仰望，但我們的思想?yún)s早已踏上遠(yuǎn)途。
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