宇宙浩瀚,想要測(cè)量遙遠(yuǎn)天體距離地球有多遠(yuǎn)并不容易。對(duì)于不同的宇宙尺度,需要使用不同的測(cè)距方法。
這種測(cè)量距離的方法是基于這樣一個(gè)事實(shí):光(以無線電波、微波、紅外線、可見光或X射線的形式)以大約每秒30萬公里的速度傳播,光速是一個(gè)常數(shù)。通過向天體發(fā)射無線電波,然后接收反射信號(hào),可以測(cè)量出這個(gè)過程所需的時(shí)間,從而很容易計(jì)算出天體的距離。但這種方法僅限于太陽(yáng)系內(nèi)的天體,而對(duì)于太陽(yáng)系外的遙遠(yuǎn)天體只能用其他方法。
先在一年中的某一時(shí)間點(diǎn)測(cè)量恒星在天空的位置,然后在六個(gè)月后,地球位于太陽(yáng)的另一側(cè)時(shí),再一次對(duì)這顆恒星的位置進(jìn)行測(cè)量。在我們看來,恒星將在天空中移動(dòng)微小的距離,這被稱為視差。在測(cè)出夾角之后,由于地球和太陽(yáng)的距離已知,根據(jù)三角關(guān)系很容易測(cè)出恒星的距離。然而,對(duì)于上百光年之外的恒星,由于距離遙遠(yuǎn),視差將變得極小,所以無法使用三角視差法來進(jìn)行測(cè)距。
宇宙中有一種特殊的恒星,它的光度會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)出周期性地變化,這就是造父變星。通過觀測(cè)造父變星的亮度,就能計(jì)算出它們的距離。造父變星法的測(cè)距范圍在數(shù)千萬光年之內(nèi),這意味著該方法可以測(cè)出河外星系的距離。
對(duì)于更遙遠(yuǎn)的星系,可以借助Ia型超新星法。在一種特殊的雙星系統(tǒng)中,一顆恒星死亡演化成白矮星,另一顆恒星依然存在。然后,白矮星從伴星不斷吸取物質(zhì),質(zhì)量逐漸增加至太陽(yáng)的1.44倍,達(dá)到錢德拉塞卡極限,它將爆發(fā)成Ia型超新星。因?yàn)檫@種超新星的爆發(fā)是完全相同的,光度是一定的,所以能夠用來準(zhǔn)確地測(cè)量距離。然而,Ia型超新星在宇宙中較為罕見,可遇而不可求。
對(duì)于距離超過10億光年的天體,只能通過紅移法來進(jìn)行測(cè)距。宇宙正在膨脹,幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去,它們的光譜大都呈現(xiàn)出紅移。距離越遠(yuǎn),星系的退行速度越快。通過測(cè)量星系的紅移,就可以計(jì)算出它們的退行速度以及距離。
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