关于宇宙的大小事

2020-06-18    收藏538
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宇是空间、宙是时间,宇宙即时间、空间 及存在此时空的万事万物。宇宙学研究的, 就是此时空所有事物的演化过程宇宙正在加速膨胀—找出造父变星与地球的距离天文学观测最困难的挑战,是遥远天体距离的测量。在伽 利略(Galileo Galilei)、克卜勒(Johannes Kepler) 之前,天文学家误以为太阳离地球很近,误判高达百倍,甚至认为太阳比地球小很多,因此,小不点的太阳绕地球转被认为是天经地义的事。

19世纪末已经有不少科学家认为,银河系里的星云有类 似银河系的螺旋结构,猜想它们应该是银河系外的庞大天体,其结构与尺度与银河系类似。但是1920年以前, 多数科学家认知的宇宙,即现今熟悉的银河系,只是「星云」结构比较特别,没有什幺不寻常的内情。若想知道这些星云到底有多大,就需先清楚它们离地球多远。为了釐清真相,科学家需要更大型的望远镜,也需要找对判断距离的指标天体。

麦哲伦星云里有很多类似北极星的造父变星(Cepheid variable)。变星是特定恆星在演化过程,进入类似人类 的青春期或更年期,其体积、亮度都发生剧烈变化。造父变星在剧变时期会变得非常明亮,和所在的星系一样显眼,是一种很好识别的指标天体。

有趣的是,勒薇特(Henrietta Leavitt)在 1908年发现 造父变星的亮度变化週期和光源发出的总能量,也就是和光度有接近线性的关係。其光度可以利用恆星演化的物理推估,量测造父变星的週期,推算其光度,再利用亮度和距离平方成反比的关係,算出变星和地球的距离。
需要更大的望远镜天文学家哈伯(Edwin Hubble)利用美国威尔逊山天文 台(Mount Wilson Observatory)口径100 英吋望远镜,在 1929 年寻找星云里的造父变星,判断之间的距 离。观测结果确认很多星云离银河系非常遥远,而且不少星云都比银河系大。随后,这些和银河系结构类似的 庞大天体,被正式命名为星系(galaxy)。

哈伯不但确认宇宙比当时认知的银河宇宙大,且遥远的星系多数都在往外跑、远离地球外,他还利用光波的都卜勒 红移效应(redshift), 也就是光源远离观察者波长会变长 的关係,透过遥远星系中特定元素的发射光谱线,因为远离而产生红移现象,推算光源退行的速率。最后,他得到 星系远离的速率离地球的距离成正比的哈伯定律(HubbleLemaître law), 推论出宇宙正在膨胀当中(图二)。

科学家在利用爱因斯坦方程式描述宇宙膨胀后,才对红移现象有较明确的认识。部分学者认为哈伯量测的红移现象,是来自宇宙因膨胀高速退行所造成光源远离,称为重力红移(gravitational redshift), 与藉助狭义相对 论描述光的都卜勒红移现象做区隔。事实上,都卜勒的 观察对象是声波,其与光波的红移推导方式不同,后人 是尊崇都卜勒的贡献,才把光波的红移现象也称为都卜 勒效应(Doppler effect)。
关于宇宙的大小事 一切的开端—大霹雳模型
确认宇宙在膨胀后,便有人推测:宇宙越早期应该越小, 而且最初应该小到不行。如果这幺多星系都挤在微小的 空间,宇宙初始的温度应该高到无法想像。因此有学者 提出宇宙起始于一个超高温、高压的大爆炸,随后才有 持续不断的膨胀,即众所周知的大霹雳(Big Bang)学 说。至于宇宙一开始有多小、有多高温,就要借重广义 相对论和量子力学的知识一窥究竟。

大霹雳模型提出后,最初并没有受到重视,也没有专有名词称呼此现象。传说这个耸动的名称,出自天文学家 霍伊尔(Fred Hoyle)接受访谈时脱口而出的讥讽。虽 然事后他慎重否认,但是故事仍不胫而走。

银河系除了有会发光的恆星,还有庞大的气体尘埃如同雾霾挡住视线,为此天文学家为了银河臂上黑压压的地方,到底是空空如也,还是有雾霾遮天争吵不休。哈佛 的沙普利(Harlow Shapley)教授发现雾霾几乎都分布 在银河盘面,盘面外的星团几乎不受观测的影响。因此透过盘面外星团分布的观测,确认银河系分布的结构: 直径大约10万光年,太阳系离核心约2.5万光年,和当 时多数科学家误以为太阳系在银河系中央的「地心说」相违,因此沙普利有「20世纪哥白尼」的尊称,是当时 的重量级天文学家。

 有趣的是,当时许多科学家反对大霹雳的主要原因是银 河系已大到难以理解,要他们接受宇宙比银河系还大无 数倍,且拥有这幺多星系根本是不合理的推论,认为哈 伯的观测数据有严重瑕疵。更有趣的是,哈伯判断距离 根据的造父变星法,因为勒薇特先前的研究受到星际雾 霾影响,差距甚大。哈伯不但误以为仙女座星系比银河 系小,而且根据最早的数据回推,宇宙的年龄比地球还 年轻。小龙女看起来比杨过还年轻的结果,一度让哈伯成为天文界茶余饭后的趣谈。如何描述宇宙
早期宇宙演化过程的研究,仰赖的是广义相对论对时空几何的诠释......

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