星星离我们有多远?飞的有多快?

2 11月

美国天文学家哈勃发现:星系都在远离我们,而且越远的星系离我们远去的速度越快。这一发现为宇宙大爆炸提供了理论基础。

哈勃是如何发现星系都在远离我们的呢?

肯定不能像日常那样测距,因为星星离我们实在太远。现在天文望远镜看到的离我们最远的发光体,距离我们138亿光年。这么遥远的距离,无论星星移动的多快,在我们看来都是静止的。天文学里,是靠分析光谱来测距测速的。

光的物理性质由波长振幅两个因素决定。

波长决定了色相。我们肉眼能看见的色盘上的颜色:红橙黄绿青蓝紫,就是人类的眼睛对不同波长的光产生的视觉反应。振幅决定了色相的明暗的差别,即亮度差。

对人眼来说,红色波长最长,紫色波长最短。波长在这个范围内的光,我们肉眼可见,称为“可见光”。

波长比红色更长的光,称为“红外线”。波长比紫色更短的光,称为“紫外线”。这些光,人眼就看不见了。

天文测距主要靠光的亮度。

生活常识告诉我们,距离越近越亮,越远越暗。一盏灯,放眼前会闪瞎狗眼,离开一公里就只能看到微弱的灯火。

只要能知道星星发出的光的原始亮度,再对比现在天文望远镜看到的光的亮度,得到亮度差。通过公式就能计算出星星离我们多远。

天文学家研究了大量光谱后,发现一个结论:光的亮度和光谱成分是挂钩的。

光都有光谱,太阳光看上去是白色的,但白光是一种混合光,包括了红橙黄绿青蓝紫可见光,还包括人眼不可见的光。但这些光不是连续的,是离散的。

光谱里不是所有波长的光都有,而是只含有固定几种波长的光。对应成颜色的话,就几种固定的颜色,并不存在颜色的渐变。所以只要分析出光谱中光的成分和比例,就能从数据库中找到这份光对应的亮度。

例如光谱中,红蓝绿的比例是1:2:3,那么这份光的亮度就是某个等级。如果比例是1:5:4,那么亮度又是另一个等级。

将光的原始亮度,和现在看到的亮度,计算亮度降低了多少,就能获知星星离我们的距离。

测距主要靠光的亮度,那如何测速?靠多普勒效应。

以声波为例,生活常识告诉我们,声源离你越近声音越高,离你越远声音越低。例如火车鸣笛发出声音 mi,当火车靠近你近时,你听到的鸣笛声会变高,从 mi 变成了 sol。当火车渐渐远离你时,鸣笛声会越来越低,从 mi 变成了 re,再远点就变成了 do。

这就是多普勒效应:当信号源靠近你时,收到的信号的波长会变短,声音就高。反之,你接收到的信号的波长会变长,声音就低。

原理很容易理解,因为波有波长和波尾。

源头先向你发出了波头,此时源头向你移动了一段距离,所以发出波尾的位置比源头不动时发出波尾的位置离你更近,你收到的波长相比源头不动时变短了。反之源头远离你时,你收到的波长会变长。

声波如此,光有波粒二象性,也是一种波,同样适用多普勒效应。光的波长变化,体现为光谱中不同的颜色。可见光中红色的波长最长,紫色的波长最短。

例如飞机的机翼灯,发出黄光。当飞机朝你飞过来时,光的波长会变短,你看到的机翼灯的颜色会偏蓝,就是“蓝移”。当飞机远离你时,光的波长会变长,你看到的机翼灯的颜色会偏红,就是“红移”

哈勃发现远处的星星都在“红移”,证明星星都在离我们远去。波长的变化与信号源的移动速度是挂钩的。只要有原始光的光谱,对比现在观察到的光谱红移了多少,就能知道星星的移动速度。

之前测亮度时说了光谱中不同波长的光是离散的,不是连续的。所以虽然我们观测到的光都是“红移”过后的光,但通过分析里面不同光的比例,就能确定原始光的光谱。

举个例子,我们收到了一箱水果,因为时间久了,水果都烂了,已经无法知道箱子里究竟放了什么水果了。但水果公司告诉我们,水果装箱都是固定的,例如只有三种水果箱子:

要么是1个西瓜,2个苹果,3个菠萝。

要么是1个番茄,5个香蕉,4个芒果。

要么是2个梨,2个香蕉,1串葡萄,5个火龙果。

虽然箱子里水果都烂了,但根据烂渍能大致看出里面有3种不同的水果,且比例是1:2:3,或者比例是1:5:4,就能确定箱子里原来装了什么水果。

同理,现在的光谱中,能看出有几种不同的光,以及它们所占的比例。从数据库中就能知道原始的光谱。对比现在的光谱就能知道红移了多少。最后根据哈勃定律的计算公式,算出星星的离我们远去的速度。

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