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銀河系直徑20萬光年,光都要走20萬年,人類是怎樣測量出來的?

Ashin 2023/01/17

宇宙中的距離都是怎麼測的?

真的是發射一束光然后等它反射,進而計算來的嗎?

光在宇宙中的傳播

這顯然是不可能的,宇宙中的距離動不動就是光年起步,1、2光年還能等,那銀河系的20萬光年,光去要花20萬年,回來還要花20萬年,加起來人類要等40萬年。

好家伙,等這個光回來,咱們人類還在不在地球都是一個問題。

那麼,我們看到的那些成百上千萬的光年距離,科學家們都是怎樣計算出來的?

銀河系的直徑再20萬光年

丈量宇宙

宇宙很大,但是 不妨礙人類丈量它的大小,在古希臘時期, 歐幾里得就提出,利用金字塔的影子來測量金字塔的高度,後來這個實驗由泰勒斯完成。

這里面涉及到的幾何原理是 相似三角形,無獨有偶, 古希臘的數學家埃拉托色尼,也是利用了三角形, 計算出了地球的直徑

如今,這個方式也被沿用到了天體距離的測量,那就是 天文學上的三角視差測量法

古希臘的數學家

地球、太陽、待測天體,這三個點可以組成一個三角形,其中, 太陽到地球的距離是已知的,我們想要得到另外兩條邊的長度,還需要知道 已知邊所對應的夾角

如何得到這個夾角,成為了計算距離的關鍵。

這個時候以地球的一個半年為周期, 測量出前后半年地球與該天體的視差夾角α

萬事俱備只差計算,運用最 基礎的三角函數,就能求得天體和地球以及太陽之間的距離。

三角視差測量法

但是,三角視差法也有一定的局限性,如果 天體距離地球太遠,恐怕就沒辦法使用了。

因為 距離越遠,測量到的視差夾角誤差就會越大,這個方式知識和幾百光年的范圍。

那如果是距離地球成千上萬光年,我們又該如何測量呢?

宇宙中有一種天體叫做 造父變星,它是一種 周期性恒星,也就是亮度會呈現周期性變化。

找到一顆造父變星,觀察它的周期變化,然后就能 得到它原本的亮度是多少

造父變星的周期

在這過程中, 周期和造父變星的亮度會呈現一個周光關系,如果兩顆造父變星的周光關系曲線相同,那麼說明它們的原始亮度是一樣的。

于是,我們可以 先測量出距離地球較近的造父變星,根據周光關系曲線, 得到更遠那顆造父變星的距離

此外,還能根據一個星云、星團里面的造父變星 測量出整星團的直徑,以及它們距離的地球的距離

銀河中存在著大量的造父變星,于是科學家們通過它們測量出 銀河系的直徑在大約20萬光年

兩顆造父變星

在測量造父變星距離的時候,科學家們又發現了一種新的測距方法—— 分光視差法

我們所看到的天體亮度與距離之間是有關系的,人類可以 通過天文望遠鏡加電腦模型,得到一張 恒星的光譜圖

天文學家們假設,將這顆恒星放在距離地球 32.6光年的距離,這個時候它的亮度為M,被稱為 「絕對星等」

而人眼看到的這顆恒星的真實亮度為m,稱為 「視星等」

不同類型的恒星的光譜圖

M和m之間存在視差,這也是 我們的眼睛和天文望遠鏡對光感知的差距,用符號π來表示。

之后,經過天文學家的推算,得到了一個關系式: M=m+5-5lgπ

這其中, 絕對星等、視星等以及視差我們都可以得到,那麼只需要代入,就能算出距離。

有人對這個公式提出質疑,人和人不能一概而論,大家對光的敏感度是不一樣的,怎麼能保證視星等的權威性呢?

其實,這個值并不是拿人測出來的, 一切都是根據那張恒星的光譜圖得到的,不是真的讓人眼去看。

恒星的類型河它們的亮度

這個光譜圖可不單單是可見光,它還將不可見光可視化,讓天文學家能更詳細分析出這顆恒星所發出的所有電磁波。

在這過程中,還會發現 該恒星的紅移,從而計算出這顆恒星正在離我們越來越遠,不僅可以計算出現在的距離,還能預估未來多少年后,這顆恒星與地球的距離。

由此可以看出,人類想要丈量宇宙的距離,有三種辦法:第一種是 歷史悠久的三角視差法,第二種是 利用造父變星的測量法,最后一種是 分光視差法

宇宙中的恒星

認識宇宙

丈量宇宙的距離是認識宇宙的開始,人類從仰望星空開始,就一直想要知道,這個「天」到底有沒有界限。

咱們看到的天有兩層含義, 第一層是地球的大氣,另一層則是宇宙

地球的大氣那肯定是范圍有限的,但是宇宙就不一定了, 人類至今都無法肯定宇宙的真正邊界在哪里

起初, 人類的目光非常「短淺」,認為宇宙就是太陽、月亮、地球、星星構成。

仰望星空

隨著 伽利略自己制作了第一台天文望遠鏡,觀看到了人類從未看到過的景象,原來宇宙不單單是上面說的那幾種,還有 其他行星和它們的衛星

也正是從這個時候開始, 一個新的體系逐漸被建立起來,那就是 太陽系,這個時候的科學家們認為,太陽系就是整個宇宙。

隨著天文望遠鏡的倍數越來越高,人們能看到的宇宙景象也越來越多,天文學家們逐漸意識到, 沒有星星這個天體

太陽系八大行星

我們看到的星星其實是其他恒星,太陽不是宇宙中唯一能發光的物體,在太陽系之外還有其他的類似體系。

夜空中的銀河,其實只是我們所在銀河的一部分, 我們位于本銀河的一根旋臂上

這個時候的天文學家認為,銀河系就是宇宙的全部了,直到上個世紀20年代,一位叫哈勃的科學家提出,銀河系不是宇宙的全部。

確切地來說, 銀河系也只是宇宙的極小一部分銀河系外還有銀河系,就像太陽系外還有「太陽系」是一樣的。

銀河系不是宇宙的全部

事實證明這位天文學家沒有說錯,河外有河,銀河系不是宇宙最高的體系等級。

為了紀念哈勃的貢獻, 人類第一台深空天文望遠鏡以他命名

也正是哈勃天文望遠鏡,幫助人類第一次丈量了全宇宙,得到了宇宙的直徑, 大約930億光年.

從此,哈勃的名字在天文學上具有了重要的意義, 既是偉大的天文學家,又是偉大的天文望遠鏡

哈勃望遠鏡

尋找新「地球」

丈量這些距離,也能夠讓人類知道,在距離我們多遠的地方,存在著類似的「地球」。

天文學家們通過觀測,發現了 上千顆「超級地球」,這個「超級」不是說它們比地球厲害很多,而是它們比地球大。

超級地球們與我們的距離有大有小, 近的可以只有10光年,遠的可以達到4722.65光年,遠到無法使用三角視差法測量距離。

地球和超級地球

人類想要到達這些超級地球,就必須 克服光年帶來的阻礙

飛躍光年之外的距離, 光是依靠飛行器來辦是不可能的,飛行器 無法突破速度與時間的限制

相對論已經說明, 人類不能達到光速,只能無限逼近光速,即便是這樣的速度,對于宇宙來說也還是太慢了。

人類無法突破光速

1光年的距離,人類也無法取得突破,只能看著這些超級地球空有一聲嘆息。

但是,距離能讓人類明白,地球有多麼寶貴,想要尋找下一顆地球,需要跨越這麼長的幅度,可想而知,人類不可能離開地球,至少現在不能。

有這樣一顆美好的星球,為什麼要花費大力氣搬去光年之外的新「地球」呢?

我們和地球零距離

更何況,我們根本酒搬不了這個家,「超級地球」再好對于我們都是徒勞,珍惜與我們0距離的地球吧!

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