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本文首发于“宇航探索局”微信公众号，转载请注明出处。 本期为从哈勃到哈勃深空场第二篇，上一篇为：《从哈勃到哈勃深空场（一）—“男神带你肉眼看（仙女座）星云”》 本期将介绍一下内容： 1，哈勃工作的意义 2，哈勃利用造父变星测距法估测的宇宙有多大 3，星系发光的红移现象是什么 4，哈勃定律是什么 5，哈勃定律解释了宇宙间的什么秘密 6，爱因斯坦为什么失眠 河外星系初窥端倪 在开启本期内容之前，先放几张精美图片作为开胃菜。      上期（从哈勃到哈勃深空场（一）—“男神带你肉眼看（仙女座）星云”）我们讲到哈珀通过测算仙女座大星系的距离发现它远在银河系之外，这一发现在1924年底由美国天文学会正式公布，尽管哈珀本人没有参加这次会议，但是当他的论文被宣读完毕，在场的所有天文学家都意识到1920年的天文界世纪大辩论就此终结了。  哈勃的工作让当时的天文学家认识到，星云不是银河系中的发光气体云，或者某个天体，而一定是像银河系一样的，由千亿颗星星构成的真正的另一个星系。所以当坚持认为银河系就是整个宇宙的沙普利收到哈珀观测结果的信件时，坦言“这封信毁了我的宇宙”。  哈珀的工作为当时的科学家打开了一扇窗户，揭开了银河系之外宇宙的面纱。1925年，哈勃再次利用造父变星测距法测定了人马座星云NGC6822的距离，证实该旋涡星云其实也是一个河外星系。此后更多的星系被一个个发现，它们就像一个个岛屿一样遍布广袤的宇宙。  星际大航海——宇宙有多大 在哈珀工作的基础上，全世界的天文学家开启了星际“大航海”，他们像四百多年前的哥伦布那样，利用遍及世界各个角落的大型天文望远镜寻找包含造父变星的星系。随着研究的深入和天文学家的努力，更大更遥远的星系开始遍及整个宇宙，进入人类的视野。  仙女座星系下的加利福尼亚州圣加布里埃尔山的威尔逊山天文台鸟瞰图，图片摄于1931年，保存于芝加哥大学图书馆哈勃先用胡克望远镜去测量更为遥远宇宙的目标，他由数千年光年远的球状星团，延伸到造父变星测量所能达到的极限，也就是以300万光年为半径、包括20个星系的范围。由那里起，他再用旋涡星系旋臂中的蓝色超巨星作为粗略的测量标尺，进而测量一个更远的、包括200个星系的范围，这个范围距离我们3000万光年。这是当时天文望远镜所能观测宇宙范围的极限了。  新的发现带来了新的难题，人类再次回到最初面临的那个问题：如何才能测定更远星系的距离呢？宇宙，究竟有多大呢？ 聪明的哈珀又想出了一个巧妙的办法，他假设每个星系的绝对亮度都相差不大（尽管这样会带来不小的误差，但相对于估算值的大小而言是可以容忍的），既然已经知道了仙女座大星系离我们的距离，就可以通过其他星系的视亮度与仙女座大星系视亮度差距来计算它们相距多远，再利用仙女座大星系离我们的距离就能够得到其他星系与地球之间的距离。 哈勃用这种新的测量法很快探究到了当时的宇宙极限。 哈勃测算的宇宙有多大呢？！ 远超10亿光年！ 这个计算结果让哈勃大吃一惊，连他都不相信，离我们最遥远的星系居然有10亿光年之远，我们的宇宙之大，超出了所有人的估计。  从多普勒到光的红移——一个生动却错误的类比 声音是一种波，当声源离我们越来越近，同一段时间内耳朵听到的“声音”越来越多，波长相当于被压缩了，频率就越来越大，音调也就越来越高；而声源离我们越来越远时，耳朵在同一段时间内收到的“声音”也越来越少，波长就会被拉长，声音的频率越来越小，音调也越来越低。声音的这种现象最先由奥地利的数学家物理学家多普勒在1842年发现并研究的，因此声音的这种性质也被称为“多普勒效应”。当时多普勒还定量研究了声源与自己相对运动速度和波长变化之间的关系。 后来人们进一步发现，多普勒效应实际上对所有的波都是成立的。而我们知道，光实际上就是一种电磁波，自然也就存在多普勒效应：当一个光源远离我们而去时，光波会被拉长，从光谱上看，光波向着红端移动。这样，通过多普勒效应您就可以理解“红移现象”了吧。 星系发出的光有没有类似的红移效应呢？最开始测量星系星系红移的并不是人们常说的哈勃，而是集数学天赋和科学素养于一身的杰出天文学家斯里弗（Vesto Slipher）。正是他的开创性工作，指引了后来的哈勃观测星系红移。让我们来看看这个天文学史上的巨匠： 时间转眼到了1928年，由于哈勃的工作，天文学家已经知道了星云其实是银河系外的恒星世界。而这些伟大的发现也为哈勃带来了巨大的声誉。当他和妻子在欧洲旅行的时候，处处受到人们的欢呼，好像他们是皇家贵族。频繁社会活动使得哈勃亲自观测星系的时间减少，却没有减少他对星系世界奥秘的渴求。在欧洲的旅行中，哈勃获得了灵感，开始酝酿一个新的观测计划。 1928年的一天，美国威尔逊山天文台的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）询问他的观测助手赫马森 （Milton L Humason）：“你是否愿意和我一起试验一下测量星云的红移？”这一年哈勃39岁，已经是美国科学院最年轻的院士。 机遇倾向有准备的人 不知你身边是不是存在这样的人，上帝永远站在他那边。 哈勃就是这样一个人。 相比斯里弗而言，哈勃有很大的优势。首先，哈勃有着观测数百个星系的经验，对测量河外星系距离轻车熟路，因此研究河外星系红移和距离之间的关系对他而言水到渠成，而这对探索宇宙的结构有着极其重要的意义。 斯里弗利用洛厄尔天文台望远镜得到的观测数据一直为科学界怀疑，而哈勃使用的是当时实际上最先进，最大也是最好的天文望远镜——威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。因此哈勃不但可以比斯里弗拍摄更暗的星系，而且可以以更高的精度获得红移。 哈勃还有一个得力助手、天文学界技术最熟练的观测专家之一赫马森（Milton LasellHumason，1891～1972）。拍摄星云的光谱，需要长时间的曝光，对天文学家的观测技巧和耐心要求很高，而赫马森是一个世界级的天文观测师。 红移现象——隐藏在光波中的惊天大秘密 研究星系红移过程中哈珀发现，几乎所有的星系都存在红移现象，红移现象不是个例，而是宇宙中星系普遍存在的规律。而且星系离我们越远，红移现象得就越厉害。哈勃的工作并没有就此止步，紧接着他用了好几年时间，测定了上百个星系的红移大小，并将红移大小换算成了视向速度，将之与星系距离显示在一张图上： 一看到这张图，哈勃立即发现视向速度和星系距离成正比例关系，并由此提出了大名鼎鼎的哈珀定律：V=HD，这里V表示星系远离我们的退行速度，D表示星系的距离，H表示哈珀常数，也就是说星系的退行速度与距离之比是一个定值，这个定值就是哈珀常数。 爱因斯坦失眠了 看起来哈珀定律就是个简单不过的数学公式，然而伟大的爱因斯坦看到这个公式却激动地睡不着觉，因为这个公式背后蕴含着一个惊天秘密。 星云“红移”出现了多普勒效应无法解释的现象，多普勒效应中，波长的拉长幅度在波发出的那一瞬间就已经决定了，之后波在传播中就不会变化。而哈勃定律和观测数据显示，从遥远星系发出的光在随着时间在不断拉长，在光谱上是向着红端移动的，这就说明光波在宇宙空间传播时被“拉长”。这个来自深邃宇宙的诡异现象完全颠覆了多普勒效应带给我们的直观认识，立即引起了所有物理学家和天文学家极大地兴趣。 更加诡异的是哈珀定律适用于宇宙中任何观测点，你站在宇宙中任何一个位置观看，都会发现所有的星系在离你而去。毕竟地球是宇宙空间再普通不过的点。 只有一种情形下才会出现这种景观，那就是宇宙整体在膨胀。就像一只吹大的气球一样。 哈珀所观测到的宇宙就像这样的一只气球，所有的星系都在互相远离，这说明我们的宇宙正在膨胀中，这里的宇宙膨胀并不是宇宙在一个已经存在的某个空间中向外扩张，而是空间本身在不断膨胀拉伸。宇宙膨胀并不表示宇宙存在边界。不要问宇宙外面是什么，因为人类对宇宙本身仍不了解。 这就是这个看上去简简单单的哈珀定律告诉我们的宇宙秘密。 当远在欧洲的爱因斯坦读到哈珀的论文惊讶地好几天睡不着觉，因为哈珀的发现与爱因斯坦提出的广义相对论互为印证。爱因斯坦乐颠颠地来到威尔逊天文台，亲自趴在天文望远镜上遥望星空，试图要验证一下哈勃地定律。 但真正让爱因斯坦吃惊的是他自己开始因为不相信宇宙会膨胀而生生地在他的广义相对论方程中添加了一个不必要的常数，用以维持宇宙的稳定。据说，这是爱因斯坦一生中自认为最大的错误（这一直为俄裔物理学家伽莫夫津津乐道）。 如果你喜欢我的推送，请别忘了关注一下公众号 如果你觉得我的文章对你有帮助，请你打赏以致精神鼓励 往期精彩文章： 《从哈勃到哈勃深空场（一）—“男神带你肉眼看（仙女座）星云”》 《弹道导弹与巡航导弹的混血儿——伊斯坎德尔K》 《挑动“中导”之争的“伊斯坎德尔-K”什么来头？》 《卫星导航定位先河--子午仪卫星导航系统（7）》 《卫星导航定位先河——浅谈子午仪卫星导航系统军事之用》 《NMD惊梦——SS-25“白杨”洲际导弹（六）》 《苏联陆基洲际弹道导弹（中）之——SS-18（撒旦）》 《沉默的羔羊还是披着羊皮的恶狼？——浅析叙利亚战场上安静的S-400防空导弹系统》 《重型猎鹰初窥》 《SpaceX崛起背后的NASA与ULA》 《SpaceX发射X-37b背后那些事儿》 《航天器的返回与回收之“桑格尔-钱学森弹道”上篇》 《美国航天飞机详解：轨道飞行器1》 |
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