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    科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

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      牛顿

      你是否曾经设想过,研究者们和科学家们是如何做到在隐蔽的研究室里靠着仅有的一个望远镜、一台电脑和一些特殊的统计数据以此试图描绘出大量的宇宙地图?我们是否再也不需要亲自前往遥远的外太空?哥伦布、马可波罗、达伽马和其他伟大旅行者的时代是否会迎来结束呢?

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      令人难过地,答案为“是”。

      为了做到足不出户知晓宇宙,我们先来使用已知宇宙的缩小比例版地图。如果太阳与地球之前的距离算1英寸,那么最近的恒星(比邻星)将会是大约4.3英里远。在实际距离中,太阳大约离地球有149.6百万千米,所以比邻星会更夸张地远。这个数字是无法想象的,大约会有40.14万亿千米。我们再也无法像旅行地球那样用飞船或飞机来探索如此浩瀚的空间。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      在现代,人类技术还无法先进到在太空中实现如此惊人的旅行。不过,我们有自己更聪明的办法对宇宙进行探索和发现。

      你见过飞速穿过眼前的警车吗?当车接近你时,警笛声会很大声(激起罪犯的恐惧)。当车越行越远时,强烈的警笛声也会慢慢消逝。这种现象被称为多普勒效应。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      图解:源点的运动引起波长变化

      这个效应将如何帮助我们旅行太空呢?如上面提到的,人类很聪明。我们注意到多普勒效应不仅可以通过声波来感应,其他各种声波也可以用上。光是一种电磁波,我们可以利用这一优点。

      光的多普勒效应

      当我们将光处理为一种波的时候,不像其他的声波,我们能明显发现的是可见的变化,而不是可听的。不过本质还是一样的。

      当波源(光)远离静态的观察者(我们自己)时,光波的频率到达我们眼睛的次数会减少(波长增长)。相反的,如果光源靠近我们,频率会增加(波长变短)。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      图解:天鹅周围水流的多普勒效应

      什么是红移和蓝移?

      你是否亲眼见过彩虹?

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      如果有的话,你肯定会注意到彩虹是由多彩的彩带组成。这是我们常讲的可见光谱,是一个在正常条件下正常眼睛可以察觉到的光谱。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      多普勒效应也可以用可光谱来观察。当一个可见的光源远离观察者时,射过来的光线趋向于进入一个光谱红区(高波长区)。这就是红移。

      同样的,如果光源向观察者接近,射过来的光线会趋向于向可视光谱的蓝区靠近(较低的波长)。这就是蓝移。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      图解:蓝移和红移(在吸收光谱中,波长在红移和蓝移中被拉长,远离原来的波长)。

      蓝红移是如何帮助我们描绘宇宙地图的?

      现在你稍微了解了红移和蓝移,准备好迎接一场那些简单元素带给你的惊喜吧。

      天文学家可以利用红移来确定我们银河系的动向。通过测量来自附近星系的入射光的多普勒频移,并比较结果,尤其是时间间隔,来确定频移,以此实现银河系动向的确定。

      科学家得到的数据揭示了星系、星云及其他发光物体的动向、大小和方位。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      从最邻近的星系——仙女座,到最远的“高度红移”星系,多普勒效应为无数的精确观测铺平了道路。这也给了我们一窥宇宙原始形态的机会,时间大概在13.7亿年前,是大爆炸时期的宇宙历史开端。

      宇宙并不仅是在那时候才开始扩张的,而且扩张是一种加速度。实现这些结果不仅仅需要多普勒效应。事实上,这是由宇宙自身膨胀导致的。由于宇宙一直在扩张,大规模观察蓝移的情况会很少见。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      在宇宙中至少有三种红移可以被我们观察

      你一定会想:为什么蓝移没有那么重要?原因是宇宙一直在扩张。所以,光的波长到达观察者时会变长、变成红移。也就是说,蓝移确实会在某些特定情况下发生。

      I型红移是星系与邻近星系的相对运动造成的。例如,我们的银河系是和邻近星系——仙女座产生碰撞而发生红移,在我们的角度看来仙女座的波长减少了。当星系离得更近时,就会变成我们所说的蓝移。同样的,星系离得远时,就会变成红移。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      II型红移是红移中最普遍的形态,并因为两个静止星体中空间的扩张而可以被我们观测。两个星体虽然没有在运动,但其射光的波长也会增加。

      所有红移种类里最不明显的是III型红移,也就是引力红移。因为来自大型星体的引力红移导致了光线的弯曲,轻微地使射光的轨道,引起射光波长的变化。引力对光的影响也帮助了我们证实爱因斯坦的广义相对论。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      引力红移的一个经典例子已经在地球上被观察到了。设想你用一把火炬照亮一个灯塔,通过观察光线的接收和消逝来测量它的波长。你会发现波长增加了,因为地球的引力会随着你离地表的距离的接近而变强。这会导致时间流逝较慢,或是说时间被伸展,因而影响光的频率和波长。

      探索系外行星

      天文学家利用红移蓝移来探测系外行星,这种方法被称为径向速度法。

      这项技术利用了这样一个事实,即如果一颗恒星周围有一颗或多颗行星,那么严格来说,这颗行星并不是围绕着这颗恒星运行的。相反,行星和恒星围绕它们共同的质量中心运行,因为恒星比它的行星要大得多。质量的中心在恒星内部,所以当行星围绕恒星运行时,恒星似乎会发生轻微的摆动。天文学家可以利用光谱学来测量这种摆动。

      设想一下一颗恒星向我们靠近,它发出的光会呈现蓝移;如果它远离我们,射光将呈现红移。这种变化并不是肉眼可见的光线颜色变化。相反的,光谱学可以用来探测恒星在绕着恒星-行星系统的质量中心相对运动时的颜色变化。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      更普遍地讲,天文学家用红蓝移来研究运动的物体,例如双星相互环绕、星系的旋转、集群星系的运动,甚至是银河系中各个星星的运动。因此,通过描绘这些星体的运动,天文学家已经成功地跨越了“已知宇宙”的一个更高的范围。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      总结

      令人震惊的是旅行过最远方的人已去过月球的黑暗面,这尤其是人类发达的智慧与经济的最好表现。尽管科技还没有非常先进,但人类对未知仍有巨大的探索渴望。我们已经找到方法来探索已知的来自13.4百万光年外系外行星的最远伽玛射线,习知我们能探索到的最远星系是GN-z11。我们没有踏出太空半步却取得了这些伟大成就。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      研究人员不断地集思广益,以创造和探索太空探索的新方法,并将我们的宇宙绘制成最精确的测量图。所有这些都是可能的,因为我们对光的本质的理解。我们对宇宙的认识主要是基于理论和统计数据。因此,多普勒效应为红移理论奠定了基础,这是宇宙学研究领域的一个重大突破。

      科学家是如何在没有真正穿梭宇宙的情况下测量宇宙中距离的?

      今天,我们要感谢光谱学为我们了解宇宙所做的一切。如果多普勒效应的现象对人类来说仍然是未知的,那么天文学家不可能观测到遥远的星系或宇宙事件,更不用说进行精确的测量了!

      参考资料

      1.WJ百科全书

      2.天文学名词

      3. scienceabc-Dev Lunawat- 郑佩瑜

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