銀河系的直徑20萬光年,光都要走20萬年,人類又是如何測出的?

宇宙中的距離,十萬百萬不算數, 光年才起步,可見其 寬廣。為了測量 天體與天體之間的距離,人類 以光為尺,丈量 未知的領域

月球上放著一面 反射鏡,在地球上對其 發射激光,通過 激光來回的時間,計算出 地球到月球的距離

人類就是用這種辦法計算出了 太陽系各大天體之間的距離

可是出了 太陽系,這個 時間就開始變長了,如果要等光 反射回來,那可真是 白了少年頭。如果不小心碰上一個距離地球 幾十萬光年的天體,我們可沒有時間等待 幾十萬年。那麼人類是 如何測量出它們與太陽系之間的距離呢?這就不得不感嘆 天文學家們的智慧了!

三角函數在天文上發揮出 怎樣的效果?如何利用宇宙中的 「色差」造父變星如何幫助天文學家測量? 宇宙的膨脹會影響最后的結果嗎?銀河系直徑20萬光年,如果使用 光反射法,光要走 20萬年,人類可等不起這個時間,那麼是 如何測出的呢?

三角函數會在天文上發揮出怎樣的效果?

學過數學的朋友們對 三角函數并不陌生,對 sin、cos和tan之間的「愛恨情仇」如數家珍。但是你知道嗎,三角函數在 宇宙測量中依然具有 強大的效果

我們已知 地球到太陽的距離,可以將這段距離作為任何一個 宇宙三角形的一邊。天文學家在宇宙中發現了一個天體,可并不知道它所在的 位置,于是我們把 它到地球的距離和它到太陽的距離作為三角形的 另外兩條邊。在已知一個三角形一條邊的情況下,我們還需要知道這條邊 對應的內角

雖然 地球和太陽的距離放在宇宙中不值得一提,但是這樣的距離還是會讓天體發射出來的 電磁波在地球和太陽之間形成一個 夾角,我們將其稱之為 視差角。因此這個依靠視差角計算距離的方法叫做 三角視差法。天文學家只需要測量出這個視差角,就能通過 三角函數計算出該天體與地球和太陽的距離。

其實這個方法源于 古希臘的數學家阿里斯塔克,他在 2000多年前利用 三角函數計算出了太陽與地球的距離。雖然有一定的 誤差,但是在那個年代能得到 如此接近的數值,不得不說他的 偉大。三角視差法也是目前天文上運用得 最廣泛的方法之一

如果僅僅以為天文學家只有 一種測量方法,那就太 小看他們的大腦了,這可是人類的 最強大腦們,怎麼可能就止步于 一種呢?還有 利用「色差」分光視差法

如何利用宇宙中的「色差」?

宇宙中有數之不盡的 恒星,我們的太陽只不過是里面的一顆。這些恒星的 亮度各不相同,因此天文學家可以得到一張恒星的 光譜圖

人類的眼睛和攝像頭之間是有區別的,因此可以利用這個 視差來計算天體與地球的距離。 人眼看到的亮度在天文學上被稱為 視星等,用 m來表示,數值越小亮度越高,反之越暗。然后再將該恒星放到 距地球10秒差距的距離,約為 32.6光年,這個時候 假定的一個亮度叫做 絕對星等,用 M來表示,區別視星等。

最后再得到 視差,用 π來表示,這三者之間有一個關系式, M=m+5-5lgπ,這個 l就是 距離,只要知道這 三個數值,就能計算出恒星與太陽系的 距離。有很多人擔心,這個「色差」會不會 因人而異,從而出現 誤差。其實,在得到 恒星的光譜的時候,就已經能夠測量出 視星等和絕對星等,這是通過 光譜得到的,不是根據 來得到的。至于 視差,這個是需要 測量的。

不管是 三角視差法,還是 分光視差法,都是測量恒星與太陽系的 距離,那我們應該 如何測量銀河系呢?這就得提到另一個方法—— 造父周光關系測距法

造父變星如何幫助天文學家測量?

宇宙中存在一種天體叫做 造父變星,它是 變星的一種,會 周期性發射出 脈沖,其 光亮也會 周期性變化。天文學家根據其 光亮的周期,能夠得到 絕對星等,再計算出它和我們的 距離。變星也是 恒星的一種,至此,人類基本上已經可以計算出我們 可以觀測到的恒星與太陽的距離

根據估算,銀河系一共有 1000億至4000億顆恒星,根據人類這些年計算出來的距離,得出恒星與恒星之間的 平均距離為4光年。而我們所在的銀河系是一個 旋星系,太陽系在其的一根 旋臂上。由此可以得到 銀河系的直徑大約為 20萬光年,并以此類推,得到 宇宙的直徑,為大約 920億光年

但值得注意的是,銀河系的直徑 20萬光年和宇宙的 920億光年,都只是一個 范圍值,不是人類 確切計算出的距離

因為宇宙中還有很多人類 未知的物質,天文學上稱其為 暗物質,它占據宇宙的 80%到90%,這些物質會對我們的測量有什麼 影響,人類是不知道的。有天文學家猜測,因為暗物質對人類的 干擾,我們很有可能對銀河系的估算值 小于其真正的直徑,它的直徑可能在 30萬光年以上,宇宙的直徑可能 更加巨大

并且隨著 測量技術的革新,我們以前的 測量數據,是會 變化的,很多天體與太陽的距離,已經與 最初的數據有了差別。

可是說了這麼多,我們卻忽視了一個 條件,那就是 宇宙在膨脹,膨脹的 速度還是 變化的,并不是一個 定值。我們測量的距離很有可能 下一秒就不是這個數值了。我們應該 如何排除宇宙膨脹帶來的 影響呢?天文學家們再次發揮了 最強大腦的作用,利用 紅移來測量。

宇宙的膨脹會影響最后的結果嗎?

紅移是一種 天文現象,因為宇宙的 空間膨脹,將 電磁波的波長也拉長了,導致 電磁波的頻率也變低了,但是, 電磁波在宇宙中的 傳播速度是不變的

產生紅移的原因就是因為 宇宙在膨脹,現在比較認同的一種假說,就是 宇宙大爆炸論,我們的 宇宙起源自一次大爆炸。由于爆炸產生了 巨大的能量,它至今都在讓我們的宇宙 不停地膨脹

如果把宇宙比喻成一個 氣球,我們的太陽和其它恒星就像 氣球上的螞蟻,因為氣球膨脹,螞蟻之間的距離會 越來越遠。關于宇宙膨脹的 速度,至今還沒有一個 合理的數值,有人認為它 超過了光速,有的人認為膨脹 已經冷卻,現在的速度肯定是 很慢的。由于 無法統一膨脹速度,我們應該如何減少 膨脹對計算距離的影響

根據天文學家 哈勃的公式: Z = H*d /c,我們可以計算天體與天體之間的距離。 Z是紅移量, H是哈勃常數, d是天體之間的距離, c是光速,我們只需要知道 紅移量,就可以計算天體之間的距離。由于紅移量本身就是 膨脹體系下的數值,因此得到的距離是在宇宙膨脹的情況下的距離。

這種方法叫做 譜線紅移測距法,有了它,天文學家就可以計算 上百億光年的距離,并且得到的數值是在造成此紅移的 膨脹體系中,算是 比較實時的數據了。

三角視差法、分光視差法、造父周光關系測距法以及譜線紅移測距法,是天文學家們 智慧的結晶,正是有了他們的 付出,我們才能知道 光年之外的天體,才知道人類在宇宙中 有多渺小

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