天文学家是怎么测算出我们看到的光是天体在多久之前发出的?

如题所述


每当仰望星空之时,我们所看到的星辰都是过去时的样子,例如,43年前的五车二,96年前的土司空,400年前的北极星。事实上,就连太阳和月球也都不是现在的,太阳是8.3分钟之前的,月球是1.3秒之前的。

那么,天文学家如何知道宇宙中的天体是在什么时候发出的光呢?

通过天文望远镜,我们可以观测到遥远的天体。然而,这并不能直接告诉我们天体发出的光用了多长时间来到地球上。但只要知道天体的距离,就能知道我们所看到的是多久之前的天体。


光在宇宙中的传播速度保持恒定不变,每秒行进将近30万公里,一年行进的距离为1光年(将近10万亿公里)。如果测出天体的距离,再除以光速,就能知道光在宇宙中传播了多长时间。那么,天体距离又是如何测量出来的呢?

对于月球、太阳这样位于太阳系内的恒星,可以向其发射雷达波,测出接收到反射波的时间差,就能测出距离。或者也可以通过几何原理和经典物理学计算出来。

对于太阳系外的恒星,如果距离较近,可以通过三角视差法来测量。想象一下,竖起食指,放在两眼的正前方。分别单独用左右眼来观测手指,可以看到手指相对于背景物体发生了明显的移动,这就是视差。利用视差现象,可以测出天体的距离。


在一年中的某一时刻,先观测目标恒星在夜空中的位置。半年之后,当地球运行到轨道的另一端,再观测目标恒星的位置。通过对比可知,目标恒星相对于背景星空的位置发生了偏移。测出视差角,就能算出恒星的距离。

如果恒星的距离超过300光年,它们的视差极小,在夜空中的相对位置几乎不变,无法利用视差法来计算。对于这类恒星,可以用主序星拟合法。


宇宙中的大部分恒星都是处在燃烧氢的主序阶段,它们的光谱颜色与实际亮度息息相关。只要测出它们的实际亮度,再结合从地球上观测到的亮度,就能算出恒星的距离。


对于银河系之外的星系,可以用造父变星法、Ia型超新星法进行测量。上个世纪20年代,天文学家哈勃正是通过造父变星法测出了仙女座星系的距离,才首次确认了河外星系的存在。

由于宇宙空间本身在膨胀,当我们测出一些遥远星系目前与银河系的距离,并不能直接知道它们是在什么时候发出的这些光。例如,位于牧夫座的EGS-zs8-1星系,它目前距离银河系295亿光年,但我们并非看到了295亿年前的星系。


宇宙诞生时间只有138亿年,更久之前有没有宇宙都不知道。事实上,我们所看到的EGS-zs8-1星系是130亿年前,那时宇宙的年龄为8亿年。

在130亿年前,EGS-zs8-1星系发出了光。经过130亿年的传播,这些光终于到达地球被我们观测到。然而,宇宙空间在过去上百亿年里在不断膨胀,EGS-zs8-1星系在宇宙中不是固定不动的,而是在快速远离而去,使得它现在远在295亿光年之外。

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