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从哈勃到哈勃深空场(一)—“男神带你肉眼看(仙女座)星云”

本篇是“从哈勃到哈勃超深场”系列的第一篇

本篇文章我们将解决以下问题

1,肉眼可观测最远天体是什么?

2,如何观测这个天体?

3,1920年世纪大辩论的争论焦点是什么?

4,谁解决了这个问题?他是怎样一个人?

5,造父变星是什么?

6,烛光测距原理是什么?

7,天文学家是如何测定星星离我们距离的?

8,世纪大辩论是如何解决的?

壮美而神秘的仙女座星系

现在是秋天,如果你所在的位置光污染并不严重,在晴朗夜空的东北方向就会看到一个纺锤状的椭圆光斑,那就是仙女座大星云,它是人类肉眼可见的最为遥远的天体之一。
照片右上方那个明亮的光斑就是仙女座大星系,用50到100倍左右的望远镜就可以清晰观察到,但要是情况而定
这是国内天文爱好者用自己的望远镜和处理软件拍摄的仙女座大星云照片,经过曝光,叠加,降噪等过程后的照片也是非常精美了。拍摄者没有署名,照片来自天文论坛
来自遥远仙女座星系的光子,飞行了254万年,穿过浩瀚宇宙抵达太阳系,打在距离地球569千米的哈珀太空望远镜感光镜片上,呈现上面这个照片。

      来自遥远的仙女座星系在天文学中的编号为M31,它是一个著名的拥有巨大盘状结构的旋涡星系,又称NGC224。仙女座星系距地球254万光年,是距银河系最近的大星系(另一个就是三角座大星系)。人们对仙女座星系的观测由来已久。

1764年8月3日,法国天文学家梅西叶(CharlesMessier)发现了它,将它编号为31号,故而又称M31。生活在100多年前的梅西叶将110个明亮天体编成星表,制成了著名的“梅西耶星团星云列表”

世纪大辩论

      到了20世纪,许多不同的星云都以为天文学家所熟知,但其性质尚未完全了解。18世纪的Messier目录中包含了许多星云,而19世纪的NGC目录则包含了数千个星云。 到20世纪早期,随着技术爆炸,观测手段也越来越强大,这些目录中的一种特定类型的像M31一样的“螺旋星云”,引起了很多争论,因为这些星云的性质尚未被揭秘。

大家都知道我们的银河系有四条旋臂,从银心向外依次是:三千秒差距臂,人马旋臂,猎户旋臂和英仙旋臂。我们的太阳系是在第三旋臂即猎户旋臂上。前文提到仙女座星系也是由旋臂(2条)构成的
旋涡星系。人们的争论就在这两片旋涡星系上。

      关于螺旋星云的争论的两个方面与银河系的大小及其与宇宙整体的相对关系有关。一方面,一些天文学家认为银河系是整个宇宙的重要组成部分,螺旋星云只是我们银河系内的另一种气体云。另一方面,一些天文学家认为这些螺旋状星云是像银河系一样的“岛屿宇宙”,它们只是如此遥远,以至于它们的恒星没有被分解为“点光源”,而是被“模糊”在一起,所以它们看起来像一个星云。这一论点在1920年两位天文学家之间的辩论中达到高潮。

       1920年4月26日,世界上著名的天文学家齐聚华盛顿美国科学院史密森尼学会的自然博物馆的大礼堂中,召开一次规模盛大的辩论会,这次辩论掀开了世界天文史崭新的一页,所以后来也被称为世纪大辩论。这次辩论会主要是三个辩题:

1,银河系到底有多大;

2,宇宙和银河系关系;

3,旋涡星云到底是什么;

      在当时的物理及天文学界中,这是三个最要命的关键问题,人们对这它们的争论由来已久。在这次辩论中,辩论双方分别是大名鼎鼎的罗伊德·沙普利(Lloyd S. Shapley)和美国著名天文学家柯蒂斯(Curtis,Heber Doust)。归根结底,他们辩论的是一个至今仍在困惑我们的问题:宇宙的尺度都多大(The Scale of the Universe)

Harlow Shapley(左)和Heber D. Curtis(右)。关于他们的情况在这里就不多介绍了,感兴趣的朋友完全可以利用google和百度搜一下,关于他们的故事已经汗牛充栋

      与当时绝大多数天文学家的认识相同,柯蒂斯坚信太阳处在接近银河系中心的地方;而沙普利认为太阳远离银河系中心

      沙普利发表论文,通过计算证明银河系的直径达到了30万光年,螺旋状星云和仙女座星云(现在发现,那是一个“大星系”啦)可能是在压力辐射下从银河系中驱逐出来的物质,是银河系中一种星云形状的“天体”,相对于银河系而言它微不足道,而银河系就是整个宇宙的代表;柯蒂斯认为银河系直径只有4万光年,仙女座星云距离我们至少有50万光年,这片星云根本就不是一个天体,而是一个银河系以外的像银河系一样的独立的旋涡星系(就像宇宙中的岛屿,这一说法源于德国哲学家康德)。

柯蒂斯在“大辩论”中使用的证据之一,保存于阿勒格尼天文台

      沙普利和柯蒂斯都引证了大量的观测数据来佐证,他们各执一词,针锋相对,谁也说服不了谁(似乎所有的辩论都是这样的)。后来这场辩论又称为沙普利-柯蒂斯世纪大辩论(Shapely-Curtis Debate)。他们的争论其实代表着当时物理和天文学界两种主流观点。

      而就在礼堂一角,有一个人静静地坐着,嘴里面吊着一个标志性的大烟斗,他没有参与到这场辩论中,只是静静地听着,嘴角泛起了一丝冷笑。谁也没有想到,就在四年后,这个人将为这场辩论画上一个圆满的句号,做一个终极了断。他的名字叫做埃德温·哈勃,一个传奇式的人物。

“美神+菲尔普斯+爱因斯坦”

      出生于1889年的哈珀,爱因斯坦十岁,童年时哈珀由密苏里州靠近欧扎克高原小镇(出生地)迁居到芝加哥郊区,他哈珀是一名成功的保险经纪人,像几乎所有的天文学家一样哈珀的小时候生活的很富足(天文学家是一个富豪群体,没有强大的经济支撑很难维系天文设备的庞大开支,毕竟天上星星再多也不会掉馅饼)。

帅的不像话,是不是???

      哈珀天生一副很好的身板,他聪明过人,英俊潇洒,魅力四射。据哈珀说有人曾称赞他美的像美神阿多尼斯,开始我还不信,看到他的照片,我沉默了,你可以拿出年轻时候年轻时候迪卡普里奥的照片对比一下,再对比一下现今风靡的小鲜肉。此外哈珀还常常下水勇救溺水人,更牛X的是就是他声称在法国站场上把吓坏了的士兵带到安全地带,曾经在表演赛上几下子就击倒了拳击冠军,看哈珀的资料就像听评书似的。或许吧,在哈珀所有的天赋中,吹牛也是其中之一。不过吹牛也是要靠资本的,哈珀在年轻的时候,却是展示出了极为过人的天赋,他有些真实的精力也让人们感觉厉害到了有些荒谬的程度。

1909年
芝加哥大学校际冠军篮球队合影, 哈勃就在左边。你觉得帅不帅呢?可以在文章末尾留言回复哒

      在1906年的中学田径运动会上,17岁的哈珀在跳高,铅球,铁饼,撑杆,链球,立定跳远,助跑跳高项目中都得到了冠军,同时还是接力跑冠军队的成员,也就是说,在一次运动会上他获得了七项冠军,还有一个跳远的第三名!在同一年他又刷新了伊利诺斯州的跳高记录。

左图为体育比赛上的哈珀,右图为1917年哈珀戎装与姐姐的合拍。哈珀是在第一次世界大战即将结束的时候被派向法国战场,就在他到达发过后不久,第一次世界大战宣告结束。战后哈珀很快就退出现役,哈珀在军队时间并不长。

      除了体育,他在文化方面也同样出众,哈珀轻轻松松地考入了当时知名的芝加哥大学攻读物理和天文,就读期间,他又入选了首批罗兹奖学金前往牛津大学深造。

在英国三年后哈珀就跟换了个人一样,回到他的家乡
嘴里经常吊着大烟斗,身披长长的披风,说一口“洋泾浜”的英国腔,这个“魔法师”的形象跟了他一辈子,那一年是1913年。

      良好的家庭,娇美的容颜,强健的体魄,聪明的大脑。看到这里,你的心里是不是有了点丝丝的嫉妒?在您继续往下看之前,我要声明一下,这不是杜撰小说。

仙女座掉下了大(造)馅(父)饼(星)

      到了1919年,30岁的哈珀移居到加州,在洛杉矶附近的威尔逊天文台找到了一个职位,他拥有世界上最大的望远镜,就是这个威尔逊天文台,让哈珀成为了20世纪最为杰出的天文学家之一。

哈珀正在调试200英寸望远镜
哈珀正在调试200英寸望远镜

      哈珀一到威尔逊天文台,便以近乎疯狂的状态投入到了对仙女座星云和三角座星云的观测中,为什么是这两片星云呢?

      因为这是在北半球肉眼可见的仅有的两片星云,当然了,它们也是离地球最近的两片星云了。

三角座大星云和仙女座星云。仙女座星云在学术上的编号为M31,三角座星云在学术上的编号为M33,它们都是在天文学上非常出名的两片星云。

      哈珀通过威尔逊天文台大型的胡克望远镜对准仙女座星云拍了很多很多的照片,经历了不知多少个孤寂又激动的夜晚,终于,他在1923年的十月找到了一颗,它就闪烁在仙女座星系的其中一个螺旋臂上,被称为造父变星V1

图中显示的是哈勃太空望远镜拍摄到的造父变星V1和哈勃在1923拍摄到的对比,时间相隔约90年。| 图片来源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team

       这颗恒星被称之为“天文学史上最重要的一颗恒星”。从V1发出的光让一切疑问都变得彻底明朗了:仙女座星系的确在银河系之外,也因此,银河系不再是整个宇宙,它只不过是浩瀚宇宙中众多星系的一员

       在这里出现了一个新的名词:“造父变星”。让我来解释一下。

量天尺—造父变星

      1784年的英国,有一个年仅20岁的聋哑青年,他没有借助任何天文工具,仅凭自己的肉眼发现:英仙座β星是一颗变星,它有2天20小时49分钟的稳定的光变周期,他把自己的肉眼观测成果报告给了当时英国天文学会,随后得到了证实。

      他就是古德里克,一个身残志坚的天文学家,但上帝为他打开了一扇窗,透过这扇窗,古德里克洞悉了宇宙的奥秘。古德里克的观测结果极为精确,后来顺利地成为英国天文学会最年轻的会员。在他去世前的两年时间里他又发现了另外两颗变星:仙王座δ星和天琴座β星。因为仙王座δ星的中国古代星名是造父一,所以汉语中把这类亮度周期变化的星星称为“造父变星”。

又一位聋哑人

       上帝似乎发现,他打开的窗户不够多。

大麦哲伦星云中造父变星周光关系和银河系中造福变星周光关系对比。横坐标为造父变星光变周期,纵坐标为光度值(您可以理解为发光强度)

       真正发现造父变星测距功能的是美国女天文学家李维特,1908年也是一位聋哑人的李维特在分析小麦哲伦星云中的25颗造父变星的时候,发现了一个有趣的规律:在一个光变周期中的平均亮度(视星)越亮的造父变星,它的脉动周期就越长。反之,越暗的造父变星光变周期就越短。

1908年,勒维特的论文发表在了哈佛天文台的年报。| 图片来源:Harvard College Observatory
小麦哲伦星云,位于杜鹃座,距离我们大约21万光年,是银河系的卫星星系。它是麦哲伦和他的船员们在第一次环球航行中发现的,所以取名自麦哲伦(Ferdinand Magellan)

       小麦哲伦星云本身的大小同它与我们的距离相比,是一个相当小的量,所以这25颗星可以近似看作在相同的距离上。因此,它们的视星等相差多少,也就反映了它们本身的光度(绝对星等)差异。这一关系反映了这类变星的内禀特性,就像强壮的人有强劲而缓慢的脉搏一样。

船尾座RS(RS Puppis),是一颗位于船尾座的造父变星。| 图片来源:ESA/Hubble

       造父变星的周光关系看似简单,实则意义非凡。利用观测到的造父变星光变周期就可(利用李维特的经验公式)测定造父变星的绝对亮度值。

造父变星的亮度变化是由于它们内部的氦气加热并膨胀、再在一个反馈回路中冷却并收缩而变化导致的。这种脉动的周期与恒星的本征亮度或光度密切相关。图像是欧洲南方天文台使用哈勃太空望远镜捕捉到RS船尾座(RS Puppis)图像。是不是很漂亮?

标准烛光测距与天体辐射平方反比律

       造父变星光变周期是可以测得的(甚至是肉眼就可观测),利用李维特经验公式你就可以知道造父变星绝对亮度。然而到现在为止我们还是没办法测出仙女座大星系和三角座大星系与我们的距离不要急,真相不远了。

造父变星的光度和脉动周期有着非常强的关系,是可靠且重要的标准烛光。| 图片来源:NASA/JPL

       想象一下我手握一根亮度(在天文上的专有名词是本征亮度,因此我们知道单位时间之内蜡烛发出了多少光)不变的蜡烛(手电也可以),现在我拿着蜡烛向黑暗处离你而去,你看到我手中蜡烛的亮度随我远去逐渐减弱,问题是你能根据现在看到的烛光亮度(可视亮度)测出我走出多远吗?

       假设蜡烛(天体)的本身发光亮度本征亮度为Q/ε ,光源均匀发光向四面八方传播,只有部分光能够到达我们的眼睛为我们所看到(可视亮度),球的表面积为4πr2(这里的2表示平方) ,观察者每单位面积接受到的能量为天体的总亮度除以这个面积,其中r是天体到我们的距离,那那么我们观测到的天体亮度为Q/(4πεr2)。也就是说:可视亮度与距离的平方成反比

测距原理

       至此,工具齐备。我们来看看天文学家如何测量星系与我们的距离的。

       相对于我们与星系之间的距离,星系本身的大小尺度就小太多了,所以我们可以假设星系中星星的距离就是星系与我们的距离。换句话来说,如果能在星系中找到一颗造父变星,那这个造父变星与我们的距离大体就是这颗造父变星所在星系与我们的距离

       为什么偏偏是造父变星?

       因为造父变星光度是周期变化的,这个周期偏偏又是比较好测量的(有些造父变星甚至用肉眼就可测)。测得这个周期后,利用李维特发现的周光关系就可以计算出造父变星的本征亮度,再利用“可视亮度与距离的平方成反比”就能够估算造父变星到我们的距离。

       天文学中把用这种方法测得的距离称为光度距离。造父变星也成为了天文学中的量天尺。利用这个“量天尺”,沙普利曾经测出球状星团的距离。

那个“馅饼”轰动天文学界

此图显示在七个月的期间内,造父变星V1的星光呈节奏性的上升和下降。图中所示,V1会在每31.4天内完成一次增亮与变暗的脉动周期。| 图片来源:NASA,ESA & Z. Levay(STScI)

      在发现造父变星V1后,哈珀又接连发现了另外33颗造父变星。他用了两年多的时间,耐心地去绘制这些造父变星的光变周期曲线,从而计算出了仙女座大星云和三角座大星云离我们的距离,都是约93万光年。

银河系、M31仙女座星系、M33三角座星系的相对关系

      尽管在今天看来,93万光年和实际距离尺度254万光年相去太远,但是在当时这个距离比沙普利和柯蒂斯的银河系观测距离大了可不是一点点,因此当哈珀在国际天文界公布研究成果时候,立即引起了轩然大波,好在哈珀的数据工作做得极为扎实,所有看过他论文的天文学家基本上都会十分信服。

银河系(Milky Way)与仙女座大星系(M31)还有三角座大星系(M33)的相对位置,光谱分析显示,仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近银河系。并在大约38亿年后,与银河系开始合并。
在这里埋个伏笔:我们都知道宇宙是在不断膨胀甚至暴胀的,为什么仙女座星系还会靠近银河系,并与银河系发生碰撞呢?后几期文章将为您揭秘。

       关于为什么哈珀的观测数值相比实际数值如此之大?可能和星际消光物质有关吧。实际上沙普利此前测定银河系直径也有不小的误差,但是关于银河系尺寸结构的测量还是比较接近实际的。 

       无疑,哈珀的工作是无与伦比的,但是我们更要感激李维特的工作,正是因为她的发现,我们才得以真正的开始探索宇宙,而不仅限于研究银河系内的恒星和星云。

勒维特的发现至今仍被天文学家广泛使用。上图是哈勃太空望远镜在2018年1月公布的“关于宇宙膨胀率的精确测定”最新结果正是基于勒维特定律
哥斯塔·米塔-列夫勒

       1925年,瑞典科学院的数学家哥斯塔·米塔-列夫勒在得知她的工作后认为她值得获得诺贝尔奖。他在给李维特的信中写道:

尊敬的李维特小姐,

      我的朋友兼同事乌普萨拉的von Zeipel教授告诉加了我关于你对小麦哲伦星云的S. 造父变星的星等与周期长度之间的关系的发现,该经验定律令我印象极为深刻,我非常想要提名你获得1926年的诺贝尔物理学奖,尽管我必须承认我对这件事的了解还不完整。

       不幸的是,这封信来得太晚,李维特在1921年便已经因癌症去世。

勒维特的工作在当时并没有受到最公允的对待。今天,有许多努力都在试图让更多的人知道勒维特的事迹。这其中包括Dava Sobel的著作《玻璃宇宙:哈佛天文台的女性如何测量恒星》,书中涵盖了勒维特的故事;此外,勒维特和她的女同事也是剧作家Lauren Gunderson谱写的《Silent Sky》的主角。| 图片来源:图片来源:SILENT SKY



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