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宇宙里的浩瀚距离:天文学史话

时间:2023-10-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于球状星团与地球位处同一个星系之内,比麦哲伦云更近一些,于是沙普利使用视差法测算出了星团中一个变星到地球的距离,从而确定了该球状星团的相对位置。两人都发表了自己关于天体间相对距离的观点。柯蒂斯据理力争,他不相信上述星云位于银河系范围之内,因为在这片星群中有大量的新星产生,恒星爆炸所产生的光芒异常明亮。显然,唯一能够一次性终止这场辩论的方法就是测量出地球与上述星云的实际距离。

宇宙里的浩瀚距离:天文学史话

1913年,丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙(要是姓氏中不包含六个连续的辅音,就不是个地道的丹麦人[1])意识到,太阳系作为一个整体也处于运动状态中,可以测量过一次某变星的位置后,等到太阳系的运行轨迹与地球公转轨道直径距离相等时,再次对该变星位置进行记录,以这样的视差法进行距离测算。

太阳系在银河系中相对于周围其他恒星运行的速度为20千米/秒(其速度的绝对值为200千米/秒),这意味着太阳系每年行进的距离大约为6.3亿千米,是地球绕太阳公转轨道直径的两倍还要多。

虽然上述方法看起来切实可行,但是在当时人们还没能准确理解太阳系在银河系中的运动形态(事实上,也没人知道其实地球与这些变星处在同一的星系之内)。而且,赫茨普龙测量出的数据误差很大。

哈洛·沙普利(这个名字也有点怪[2])在1918年重拾亨丽爱塔的研究,不过这位天文学家并没有注意到麦哲伦云,而是对有助于测算星系尺寸大小的球状星团更感兴趣。

此时,研究者内将变星分为两类,它们各自具有不同的特性,即经典造父变星与第二型造父变星,第二型造父变星要比同期的经典造父变星亮度低1.5个星等。

在观测球状星团时,沙普利发现其中包含着另一种新型变星,它的光变周期不到一天,且亮度也远远低于其他星体。

由于球状星团与地球位处同一个星系之内,比麦哲伦云更近一些,于是沙普利使用视差法测算出了星团中一个变星到地球的距离,从而确定了该球状星团的相对位置。

到了这一步,再也没什么能够阻止人类去探索地球在宇宙中的位置了。

根据上述球状星团中变星的亮度变化,沙普利计算出了大量星团的相对位置,并将它们在三维模型中展示出来。他观察到有许多相对封闭的星团似乎在一个中心位置形成一个球体,而远离银河系的银团排列得并不紧凑。

基于这个三维模型,沙普利得出结论:银河系呈圆盘状且直径为13万光年,这一数字比实际值高出了30%。可能在测量过程中,太空中的大量气体,以及某些恒星微弱的光晕模糊了观察视线,以致它们在人类眼中显得更加遥远。1918年,沙普利发表了上述研究成果。(www.xing528.com)

1920年,沙普利与另外一位天文学家希伯·柯蒂斯展开了一场名为“宇宙尺度”的辩论。两人都发表了自己关于天体间相对距离的观点。主要的辩论集中在“银河系尺度”问题上:螺旋状星云到底是在银河系内,还是一个位于银河系之外的独立星系?宇宙是否全部由银河系构成?

虽然两位天文学家都拿出了足够的论据来支撑自己的观点,但他们的发言中都有一部分是错误的。

一方面,沙普利已经计算出了银河系的大概尺寸,并得出了一个正确结论:太阳远离银河系的核心,并环绕该区域旋转。而柯蒂斯计算出的银河系尺寸是前者的四分之一,并且他认为太阳就位于银河系中心附近。

另一方面,柯蒂斯认为一直以来被观测的星云都处在银河系之外,是独立的星系或“岛宇宙”。沙普利不同意这一观点,因为根据他的计算,如果仙女座大星云(而今我们已经知道它确实是一个独立星系)在银河系之外,那么它应该距离地球大约1亿光年(如今测算出的实际数值为250万光年)。沙普利的这一观点也得到了丹麦天文学家阿德里安·范·马纳恩的支持,他声称已经辨识出了螺旋状星云的旋转动态。若该螺旋状星云距离地球如此遥远,那它就应该接近光速旋转,这显然不符合常理。嗯,这是物理学。当然了,范·马纳恩的观测结果被证明是错误的。因为那时,在人类短暂的生命中,是不可能区分出整个星系的旋转动态的。

柯蒂斯据理力争,他不相信上述星云位于银河系范围之内,因为在这片星群中有大量的新星产生,恒星爆炸所产生的光芒异常明亮。如果这些星体在银河系之内,那么为何在其他区域没有随机产生星体爆炸的现象呢?为什么只是在一片星云中有如此高的恒星密度呢?沙普利当然也就此争辩道:“如果不是因为这片亮度异常耀眼的星群,人们也不可能从地球上观测到它们。”

显然,唯一能够一次性终止这场辩论的方法就是测量出地球与上述星云的实际距离。这正是后来埃德温·哈勃所做的事情。

[1]  这位天文学家的姓氏中辅音字母连续且多于元音字母,很有丹麦特色。——译者注

[2]  这位科学家的名字在英文中并不常见。——译者注

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