哈勃望遠鏡如何解開宇宙的面紗?

哈勃望遠鏡如何解開宇宙的面紗?

當工程師和技術人員勤奮地工作,以診斷和開發解決方案或圍繞哈勃空間望遠鏡最近的陀螺儀問題工作,它給了我們一個時刻來檢查和反思它的一些最偉大的科學壯舉。別擔心,哈勃空間望遠鏡不會在短期內消失,因此我們可以充滿信心地期待更多的天文鉅變。但是哈勃望遠鏡已經運行了將近30年,它為人類對宇宙的全部知識做出了什麼貢獻呢?

答案是:很多。今天我要講的是其中的一個亮點。

測量到太空中遙遠物體的距離並不是一件容易的事。事實證明,說出像“仙女座星系在250萬光年之外”這樣的簡明話,實際上在後端真的很難計算出來。現代天文測量建立在一套相互重疊、相互關聯的技術基礎上,這些技術從月球一直到可觀測宇宙的邊緣,一直穩定地向外延伸到越來越遠的距離。

哈勃望遠鏡如何解開宇宙的面紗?

這個所謂的“宇宙距離階梯”(因為它就像通往宇宙的距離階梯)的關鍵錨之一是一個被稱為造父變星的奇怪的天體。它們有一個非常特殊和有用的特性:脈衝。

在幾天的時間裡,這些恆星將穩定地變亮和變暗,以一種規則的、可重複的模式循環。在20世紀初,一位名叫亨麗愛塔·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)的天才天文學家發現,這些造父變星不僅變化多端,它們的變化很有趣。這些恆星循環得有多快,與它們本質上有多亮(用天文學術語來說,這就是所謂的光度)之間,存在著一種非常奇怪的關係。

如果你知道某物有多亮,你就可以計算出距離。和我一起想一想,你會意識到這是多麼棒的一件事。今晚出去看看隨機的恆星星光。有多遠?隨便猜一猜。尋找一顆更亮的恆星。那顆更亮的恆星是不是因為離得更近而更亮?還是因為…只是,你知道,這顆更亮?這是一個難題,甚至困擾著像牛頓這樣的思想巨人。

但是,如果你知道這些恆星的亮度(實際亮度),那麼你就可以確定哪一顆更遠,哪一顆更近。對於每一顆恆星,你可以將它的真正亮度與你在天空中測量的亮度進行比較,只做一點高中三角測量,你就會知道到這些恆星的距離了。

哈勃望遠鏡如何解開宇宙的面紗?

造父變星有一個非常有用的特性:它們的脈動率與它們的真實亮度直接相關。這種真正的亮度可以與它們在天空中的表面亮度相比較,這給我們提供了一種方法來估計它們的距離。

對於任何一顆老恆星來說,這都是很難做到的,因為很難知道它們真正的亮度。但謝天謝地,造父們不是普通的老恆星。因為你可以測量它們的變化,而且這種變化與它們的亮度直接相關,所以你可以(相對)容易地確定它們的距離。

正是與造父變星一起,埃德溫·哈勃第一次發現仙女座星系是a)它自己的星系,b)非常遙遠,開啟了我們進入更廣闊宇宙場景的第一次飛躍。但造父變星只能帶我們走這麼遠。你仍然需要觀察單個恆星,並有一個足夠靈敏的望遠鏡來記錄隨時間的變化。這不是一件容易的事,走得越遠,難度就越大。

為了達到我們今天所知道和喜愛的真正廣闊的宇宙學距離,我們轉而使用其他技術。但是這些技術(比方說,觀察某些類型的超新星)在近距離觀察並不是很好,因此造父變星提供了到達恆星的關鍵錨點。

哈勃望遠鏡是一個大型望遠鏡,這意味著它可以看到非常遠的造父變星。而且它在太空中,所以它不必擔心討厭的大氣破壞了它的測量結果。有了這些優勢和其他的進步,天文學家們就能夠確定到三十個星系的距離,這些星系遠在6500萬光年之外,每個星系都有多個造父變星的測量數據,這樣我們就可以把它們固定在一起了。

這個單一的結果鞏固了我們對宇宙距離的理解,幫助我們瞭解更多,從我們宇宙的歷史到暗能量的本質。這只是哈勃望遠鏡所取得成果的一小部分。


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