哈勃利用周光关系首次测量了仙女座星系与我们距离,发现原来在银河系之外还存在着大量的独立宇宙岛屿,让我们的视野不再局限在银河系内,接下来,我们要说多普勒定律在星系光谱红移和蓝移上的应用,以及哈勃如何观测出整个宇宙中的星系都在离我们远去?

星系光谱中的氢吸收线

多普勒效应和周光关系如何揭示一个不断膨胀的宇宙?-MAAMX

我们暂时让目光回到1912年。当时有一位名叫斯莱弗(Vesto Slipher)的天文学家在研究M31,也就是仙女座星系,他决心攻克的课题是测量M31的光谱。从牛顿的时代起,人们就知道,如果让一束光通过一个棱镜,就可以将其所蕴含的各种不同颜色的光分解开来,形成一个光谱。

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而在测量天体的光谱时(太阳也不例外)人们总会发现,光谱中除了长长的红色(波长也较长)段、充满活力感的紫色(波长也较短)段之外,还会夹杂一些黑色的窄带,这些“暗线”之间的距离也常各不相等。人们很快就认识到了这些暗线的实质,它们对应着光源物体中隶属于不同元素(如氢、氨、氧等)的原子。这些原子只在一些特定的波长上释放或吸收光子,而且由于不同元素原子中的电子跃迁幅度不同,每种元素所对应的谱线波长都有其专属的“特征”位置。

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举例来说,如果你在光谱中属于红色的6563埃(“埃”是光谱研究中常用的长度单位,1埃表示0.1纳米)、属于青色的4861埃、属于蓝色的4341埃、属于紫色的 4102埃的位置上都能看到暗线(也叫吸收线),就可以认出这是中性氢的特征谱线。在特定的情况下,这就说明在光源和你之间有中性的氢元素存在。

多普勒效应在天文学上的应用

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但是故事还不止这么简单。当你在上述四个精确的位置上看到了吸收线时,你所能知道的并不只是光线在到达你的棱镜之前经过了中性氢的吸收,你还可以判定这些中性氢相对于你的“径向速度”为零。(经向速度在这里也可以叫视向速度、法向速度,它为零的意思就是,即使物体有移动,其移动方向也垂直于它和你之间的连线,在连线的方向上,其速度分量为零。)

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试想一下警车的笛声,你是不是可以单凭听觉就断定警车究竟是在向你开来还是在离你远去?如果你听到的警笛声调比正常的高,就说明警车与你的距离越来越近;反之,如果声调比正常的低,就代表它与你越来越远。也就是说,你听到的声调有可能比声源实际的声调更高或更低,这取决于声波经过你时相对于你而言的频率。这种现象叫作“多普勒效应”。

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当发声体一边发声一边移向你时,相当于其声波以更加紧密的姿态到达你的耳朵,等于你感受到的波长变短了,也就是声音的频率变得更高了,即声调上升了;当发声体正在远离你时,其声波到达你耳朵的态势就变得比原来更稀疏,你感受到的波长也就变长了,相当于声音的频率降低了,即声调下降了。

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对于光波,道理也与声波的这个道理类似,但要注意这里的案例与声波的情况有一点区别。如果气体氢是正在向你靠近的,你仍然会看到上述的四条特征吸收线,但针对你所处的位置来说,它们所对应的波长会被压缩,即这些波动会以更快一点的速度到达你的眼睛,导致你看到的光频率升高一点(即波长减少一点),吸收线在光谱中的位置也就会向蓝色那一端偏移,学术上称为“蓝移”。

反之,如果气体的氢正在远离你而去,这些吸收线对应的波长就会在你的视线方向上增加一点,到达你眼中的速度就会相应地减慢,导致你看到的光频率降低一点(即波长增加一点),吸收线就会在光谱中向红色那一端偏移,学术上叫作“红移”。这里还需要特别注意,不只是吸收线源或光源会因向你移动或离你远去而体现出蓝移或红移,宇宙空间本身在你的视线方向上如果有膨胀或收缩(广义相对论证明这确实可能),也会反映出这种现象。请带着对这一点的记忆,跟我一起回到关于斯莱弗的话题上去。

星系光谱中氢吸收线的红移和蓝移

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斯莱弗是天文光谱学的先驱,他使用技术手段测量过大行星的大气层里的元素成分。当他在1912年将光谱测量设备转向M31时,自然可以精准地确定来自M31中心区域的光线中的各条吸收线的位置。他的结果显示,大部分的吸收线与太阳光谱中的吸收线在架构上是一致的(也有少量不见于太阳光谱中的例外),但是整体发生了蓝移,而且其偏移幅度之大在当时已经观测过的所有天文光源中高居首位。

斯莱弗在接下去的几年里陆续测量了 15个螺旋状深空天体的光谱,发现其中只有两个有蓝移,其余的全都是红移,而且很多红移案例的偏移幅度都很大,远超过已知的蓝移案例的幅度。正是这一重要的研究结果,一手造就了20世纪20年代最令人困惑的问题。

哈勃利用周光关系、多普勒效应发现宇宙正在膨胀

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哈勃在1923年发现“仙女座大星云”其实是“仙女座大星系”,并且位于我们的银河系之外很远的地方。此后,他很快就将研究重点转向了观测其他螺旋状深空天体中的变星。他当然不满足于测量这些天体的距离并为之编目,也不满足于证明这些“星云”实质上都是遥远的河外星系。我们要知道,对于爱因斯坦的理论和斯莱弗对这些天体的红移的测量成果,哈勃都有着透彻的理解。他把自己的新发现与这些成果结合,制订了新的计划准备付诸实施:他要测量尽可能多的这类天体,通过其距离数据推测其径向速度。

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在修梅森的协助下,哈勃测定了20多个螺旋状星系中的变星的亮度与变光周期,同时他也运用斯莱弗的光谱学方法测定了这些目标的红移或蓝移幅度。对周光关系的认识,使他能够逐一推断出这些星系的距离,而红移或蓝移数据又使他掌握了这些星系的径向速度。这里也有一点必须注意:要想更准确地测量遥远星系的径向速度,必须一并将地球绕太阳的运动、太阳绕银河系中心的运动都考虑进去。这也牵扯到天文学课题乃至各个科学领域中的一个首要注意事项:不要遗漏任何有可能影响你测量结果的因素和效应!

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哈勃到1929 年,已经积累了足以出版专著的科研数据,于是他写出了一部关于遥远星系的距离及运动状况的书,书中总结出的新发现写起来既简洁又有力,引起了巨大反响。概括来说,哈勃的这个新发现是:距我们越远的星系,其飞离我们的速度就越快!

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哈勃的结论不只说明这些螺旋状的、包含着几十亿颗恒星的“宇宙岛”都在以高速度远离我们而去,还指出了其向外退离的径向速度与其当前测算距离之间的一个简明的关系——二者简单地成正比,这几乎等于直接宣告了宇宙在不停地膨胀,因为除此想法之外已经没有更好的解释了。哈勃的成果以迅雷不及掩耳之势挑战了爱因斯坦的静态宇宙观,而爱因斯坦也很快表示自己先前提出的“宇宙常数”可能是他“犯下的最大错误”。如今,遥远星系逃离我们的速度与它的距离之间的这种关系被称为“哈勃定律”,以表彰哈勃的功绩。

多普勒效应和周光关系如何揭示一个不断膨胀的宇宙?-MAAMX

另外,在体现该定律的图表中,根据各样本星系速度、距离的坐标点所拟合出来的那条斜线,在数学公式里可以写成一个系数,这个系数也被称为“哈勃常数”。这个常数向我们说明宇宙在膨胀。可以说,哈勃不但描述了宇宙的结构,证实了“时空”在持续伸展着自身,还发现了一种测定宇宙膨胀速率的可操作的方法,该方法直到目前依然被我们使用!