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我们如何根据星系退行速度来推测星系间的距离?

更新时间:2019-12-19 10:12点击:

  1948年,我获得了加州理工学院的物理学博士学位。现居住于加州雷德兰兹的一个退休社区里。应社区邀请,我每两周会做一次关于天文学的讲座。有人问过一个问题:如何确定宇宙的年龄,又如何确定宇宙到遥远星系的光年(或公里)距离呢?对此我也有些疑惑。

  简单的答案是:人们已经知道,到一个星系的距离与它的后退速度成正比。这就是所谓的哈勃定律,20世纪20年代末,哈勃望远镜的观测实现了对它的论证。事实证明,如果假设宇宙是均匀和各向同性的(我们认为确实如此),那么哈勃定律也可以通过理论来预测距离。

  星系后退速度与星系距离的比例常数称为哈勃常数。自从“哈勃常数”这个术语被创造出来以来,天文学家们就一直试图测量它:最简单的方法就是观察星系的后退速度,而星系的后退速度是通过其他方法来得知的(比如观察变星的周期)。目前对哈勃常数的最佳估计是每秒20公里,所以一个后退速度为每秒2000公里的星系距离100百万光年,依此类推。

  因此,我们可以利用哈勃定律,通过简单地测量星系的红移来确定星系的距离,这是一件相对容易的事情,即使对于非常遥远的物体也是如此。我们还可以估算宇宙的年龄:你会注意到哈勃常数的单位实际上是1/时间,所以1/哈勃常数一定是宇宙的特征年龄。根据上面的哈勃常数,我们计算出宇宙大约有140亿年的历史。

  现在让我们来看看复杂的答案:事实证明,对于“非常”遥远的物体(比如红移为2或更大的物体)来说,哈勃定律并不适用。因为在非常遥远的距离上,我们必须开始考虑宇宙的(四维)曲率。一个更重要的影响因素是,在大多数宇宙学中,哈勃常数并不是一个真正的常数:它实际上随着时间的推移而增加,所以它的值在红移5的星系中与今天不同。

  所以,得到的估计距离星系和宇宙的年龄,天文学家必须假设宇宙的一组宇宙学参数(例如,它所包含的“正常”物质的总量)和模型其年龄和距离的星系红移的函数通过整合宇宙进化的运动方程。他们得到的答案与我们之前估计的没有太大的不同,但是对于了解高红移的星系是很重要的(例如,提取它们的大小线性地取决于它们的距离,它们的质量取决于距离的平方)。

  图解:上图右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱,与图左侧太阳的光谱比较,可以看见谱线朝红色的方向移动,即波长增加(频率降低)

  然而,从所有的意图和目的来看,哈勃定律是一个非常强大的工具,可以从速度推算出距离(课堂上对这个问题的讲解可能也就到此了)。

  后退速度指一个天文物体离开某个星球的速度,这个星球通常是指地球。它可以通过谱线的移动来测量,也可以通过星系光谱的普遍变红来估计。

  图解:宇宙的最终命运和宇宙的年龄,可以取决于测量现今的哈勃常数和推断减速参数的观测值,此参数特具密度参数值(Ω)的特征。所谓的“封闭宇宙”(Ω>1)即将在一次“大紧缩”(Big Crunch)后结束,比哈勃年龄年轻。“开放宇宙”(Ω≦1)永远都在扩张且具有较接近哈勃年龄的年龄。我们所居住的宇宙为“加速宇宙”(accelerating universe),其年龄正巧非常接近哈勃年龄。

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