人类如何得知自己身在何处?

发布: | 发布时间:2019-04-11,星期四 | 阅读:643

作者:赵琨

「不识庐山真面目,只缘身在此山中。」那么地球上的科学家们,是如何得知银河系的样子,又是如何定位我们在银河系中的位置的呢?

回答这个问题,最简单的方法,就是飞出银河系,给她拍一张全景照,就像这样:

银河系全景图 Credit: Wikipedia

然而这显然是不可能的。到今年元旦,飞的最远的旅行者I号也才飞了 210 亿公里。我为什么要说才?银盘的厚度约为 1000光年,直径10万光年,而210亿公里约合 0.00022光年。

既然这样不行,聪明的人类一定有更巧妙的办法,否则我们还在相信「神说,要有光…」那一套。

回头最初,人们对宇宙一无所知,手里也没有什么观天神器。无论是星空爱好者,还是为帝国把脉的星官,抬头看到的都是纷繁复杂的天象:有些天体运转以年为周期,有些以月为周期,还有些周期混乱,甚至还有些忽大忽小。

为了掌握这些天体的规律,人们不断创新出各种模型,并制作仪器辅助研究,比如这个:

天球仪(又名浑天仪),用以表现恒星和星座位置,并能演示天体的周期运动。实物展示在紫金山天文台。

人们虽然很早就从日月食等天象看出地球是球形,但是由于「天」看上去每个方向一样远,自然也是球形,是为「天球」。

银河的形状

横亘在天际中央,一年四季都可见的银河一直都是人们的一个关注重点。随着望远镜的发明,人们发现里面均匀的密布着无数的星星。

通过观测,我们推理得出:银河系应该是一个扁平的碟状,而我们就在“碟子”扁平的区域,否则银河看上去会是完全不同的样子。如果银河系是球形,那么就会看到她满天的光芒,而不是细长的条带;而如果我们在「碟子」上方或下方,那天河便不会把夜空平分,而是出现在头顶的巨大圆盘,半年后可能就踪迹全无。

晴朗天空下肉眼可见的银河

初步测量

但我们仍然如同捆在某棵树上的人,想要画出整个森林的地图,简直是「不可能完成的任务」。万幸恒星之间间隙巨大,爱思考的人们还是发现了些蛛丝马迹。

到18世纪晚期,天文学家威廉·赫歇尔开始通过巨大的望远镜观察银河,尝试测量恒星的距离,并得出结论——地球处在圆饼状恒星群中间,虽不在正中心却也离中心不远。

错误的得出中心的结论,是由于星际尘埃遮挡、散射、吸收了银河系遥远恒星的光芒,但赫歇尔并没有发现它们的存在。我们看上去正好在银河的中心,不是因为我们恰好在中心,而是因为我们从每个方向看到的一样远(近)。对于绑在迷雾森林中某棵树上的人来说,森林各个方向的尽头都相同。

赫歇尔制造的40英寸望远镜和他的银河模型 Credit: Wikipedia

赫歇尔迷恋于建造巨大的望远镜,上图的反射式望远镜主镜直径足有1.25米。

接近真相

直到上世纪初,观测结果才取得了突破。美国天文学家哈罗·沙普利通过造父变星作为标尺,来测量银河的尺寸与我们所处的位置。

造父变星是一种特殊的恒星,其绝对亮度与光变周期强相关。通过易观测的周期可以计算得到其绝对亮度,再通过观测亮度,就可以换算出距离。当然最早发现造父变星的并不是沙普利,而是英国天文学家古德里克。

有了较准确的标尺,沙普利持续观测球状星团的分布,并得出结论——银河的直径高达10万光年,核心位于人马座(射手座),太阳到银核的距离约为银河半径的2/5。这一结论直接推翻了持续500余年的日心说。

银河系的样貌也不再只是扁平的圆盘,中心位置还增加了球形的恒星晕,之后更多的天文学家也确认了这个结论,这时的银河画像:

银河与散布的球状星团(左),球状星团中的造父变星(右)Credit: Shapley

然而星际云和尘埃还是影响了沙普利的计算结果,当然,数量级是正确的。

消光的存在,导致距离测量值偏大 Credit: Geller @ GMU

答案揭晓

再后来,科学家们设计和制作出各种谱段的望远镜:除传统的可见光望远镜,队伍里还增添了射电、红外、X射线,甚至伽玛射线探测器。人们把望远镜建在雪山、荒漠,甚至遥远的太空(最新的JWST将运转在距地球150万公里的深空)。

不同频率探测器得到的银河系全景图 Credit: NASA

我们可以看到,不同波段的探测器获得的银河系全景图差异巨大。通过对各种波长的电磁波的衰减特性、多普勒效应等进行分析计算,银河系逐渐揭去其面纱,将真容呈现给我们。

银河系是典型的棒旋星系

旋臂的发现

观察上面不同谱段的银河全景图,我们能得到银河是圆盘的推断,然而旋臂是如何发现的呢?在找到证据支撑之前,人们应该已经有过这样的假设。

比如早在1845年,另一名巨型望远镜爱好者——爱尔兰天文学家罗斯伯爵三世——就仔细观测并绘制了旋涡星系M51的草图。

罗斯伯爵的望远镜(上),M51渦状星系(下),M51草图(右下)

M51是一个典型的旋涡星系。随着人们对河外星系的观测,发现有2/3的星系都是旋涡星系,而它们又都呈现为扁平的碟状。因此人们不难推测,银河也是旋涡星系。

然而,如果只是推测,显然我们无法绘制出棒状结构和巨大的旋臂图案。

更进一步的探测结果得益于21厘米谱线(氢线)的发现。该谱线来源于中性氢原子在两个差异极小的能级之间跃迁时,发射或吸收的光子。

宇宙中最丰富的物质就是氢,但是一开始人们只能探测到星云中较高温度较浓密的离子态氢。直到奥尔特(对,就是奥尔特云的名字由来)预测了氢线,爱德华·帕塞尔和他的学生哈罗德·伊文用500美元经费接收到这一神秘信号,人类又打开了一扇观测宇宙的窗户。

中性氢能级跃迁,发射光子形成21cm谱线 Credit: Pearson Prentice Hall

氢线的两个独有特性,使得它成为探索宇宙的利器:1、产生氢线所需能量极小,即便在几十K的低温,氢原子也能通过碰撞或其他偶然因素产生跃迁,发出该谱线;2、由于跃迁几率小,辐射在传播过程中被吸收的几率同样极小,对它来说整个宇宙就是透明的。

1952年,通过21 厘米谱线观测,人类第一次绘出了银河系内的中性氢分布图,从而发现了银河系的旋臂结构。氢原子在银河系的旋臂内密度为每立方厘米1到10个,在旋臂间(即星际)为每立方厘米0.1个,差异明显。

银河系俯视图、侧视图 Credit: ESA

太阳系

我们熟知,太阳系八大行星在黄道平面围绕太阳公转,而太阳又围绕银核高速旋转。那么二者合并起来是怎样的场景呢?

月亮、地球、太阳的公转轨道角度示意 Credit: Wikimedia, Jim slater307

到这里,终于弄清楚了银河系的全貌,和我们在银河系中的位置。

对了,本文中所用的银河系图案,或是出自PS之手,或者干脆就是其他旋涡星系的写真。除非有一个河外文明好心的奉上一面镜子,否则我们永远都无法一睹银河的真容。


来源:漫步宇宙


 

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