哈勃望远镜如何解开宇宙的面纱?

哈勃望远镜如何解开宇宙的面纱?

当工程师和技术人员勤奋地工作,以诊断和开发解决方案或围绕哈勃空间望远镜最近的陀螺仪问题工作,它给了我们一个时刻来检查和反思它的一些最伟大的科学壮举。别担心,哈勃空间望远镜不会在短期内消失,因此我们可以充满信心地期待更多的天文巨变。但是哈勃望远镜已经运行了将近30年,它为人类对宇宙的全部知识做出了什么贡献呢?

答案是:很多。今天我要讲的是其中的一个亮点。

测量到太空中遥远物体的距离并不是一件容易的事。事实证明,说出像“仙女座星系在250万光年之外”这样的简明话,实际上在后端真的很难计算出来。现代天文测量建立在一套相互重叠、相互关联的技术基础上,这些技术从月球一直到可观测宇宙的边缘,一直稳定地向外延伸到越来越远的距离。

哈勃望远镜如何解开宇宙的面纱?

这个所谓的“宇宙距离阶梯”(因为它就像通往宇宙的距离阶梯)的关键锚之一是一个被称为造父变星的奇怪的天体。它们有一个非常特殊和有用的特性:脉冲。

在几天的时间里,这些恒星将稳定地变亮和变暗,以一种规则的、可重复的模式循环。在20世纪初,一位名叫亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)的天才天文学家发现,这些造父变星不仅变化多端,它们的变化很有趣。这些恒星循环得有多快,与它们本质上有多亮(用天文学术语来说,这就是所谓的光度)之间,存在着一种非常奇怪的关系。

如果你知道某物有多亮,你就可以计算出距离。和我一起想一想,你会意识到这是多么棒的一件事。今晚出去看看随机的恒星星光。有多远?随便猜一猜。寻找一颗更亮的恒星。那颗更亮的恒星是不是因为离得更近而更亮?还是因为…只是,你知道,这颗更亮?这是一个难题,甚至困扰着像牛顿这样的思想巨人。

但是,如果你知道这些恒星的亮度(实际亮度),那么你就可以确定哪一颗更远,哪一颗更近。对于每一颗恒星,你可以将它的真正亮度与你在天空中测量的亮度进行比较,只做一点高中三角测量,你就会知道到这些恒星的距离了。

哈勃望远镜如何解开宇宙的面纱?

造父变星有一个非常有用的特性:它们的脉动率与它们的真实亮度直接相关。这种真正的亮度可以与它们在天空中的表面亮度相比较,这给我们提供了一种方法来估计它们的距离。

对于任何一颗老恒星来说,这都是很难做到的,因为很难知道它们真正的亮度。但谢天谢地,造父们不是普通的老恒星。因为你可以测量它们的变化,而且这种变化与它们的亮度直接相关,所以你可以(相对)容易地确定它们的距离。

正是与造父变星一起,埃德温·哈勃第一次发现仙女座星系是a)它自己的星系,b)非常遥远,开启了我们进入更广阔宇宙场景的第一次飞跃。但造父变星只能带我们走这么远。你仍然需要观察单个恒星,并有一个足够灵敏的望远镜来记录随时间的变化。这不是一件容易的事,走得越远,难度就越大。

为了达到我们今天所知道和喜爱的真正广阔的宇宙学距离,我们转而使用其他技术。但是这些技术(比方说,观察某些类型的超新星)在近距离观察并不是很好,因此造父变星提供了到达恒星的关键锚点。

哈勃望远镜是一个大型望远镜,这意味着它可以看到非常远的造父变星。而且它在太空中,所以它不必担心讨厌的大气破坏了它的测量结果。有了这些优势和其他的进步,天文学家们就能够确定到三十个星系的距离,这些星系远在6500万光年之外,每个星系都有多个造父变星的测量数据,这样我们就可以把它们固定在一起了。

这个单一的结果巩固了我们对宇宙距离的理解,帮助我们了解更多,从我们宇宙的历史到暗能量的本质。这只是哈勃望远镜所取得成果的一小部分。


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