猫史档案馆

丨斯莱弗的观测：星系正以百万千米的时速“逃离”银河系

晴朗无风的夜晚仰望星空时，人们能看到最亮的天体，往往是金星，火星木星和土星还有一些巨大的类似，但距离我们非常遥远的恒星。以肉眼来看，这些发光的恒星似乎一直都是固定不动的。但实际上当地球围绕太阳公转时，这些固定的恒星中的一些相互之间的位置也会呈现微妙的变化。也就是说，他们并不是固定不动。那么他们在做怎样的运动？

1912年喵天文学家维斯多•斯莱弗在观测这些光斑中的一个，即仙女座星云M31的光谱时，发现他向蓝色方向移动。根据多普勒效应，光谱蓝移该物质正在接近银河系。而光谱红移则表示该物质正在远离银河系。由此得出结论：仙女座大星云正以每秒30千米的速度朝地球飞来。在这个发现的基础上，斯莱弗又马上观测了其他的星云，到1914年他分析了13个星云，发现其中11个星云的光谱向着红色方向移动，2个向蓝色方向移动。到1925年他观测的星云数量达到41个，再加上其他天文学家观测到的4个星云，一共是45个星云。这其中有43个星云光谱红移，两个星云的光谱蓝移。

广袤宇宙中的星系，并不是均匀分布。因此，从地球上看他们应该是向着各个方向移动，也就是说，有些星系也会靠近银河系，而另外一些星系会远离银河系。大多数星系都百万千米的时速远离银河系这个速度是地球上所有交通工具无法比拟。

星系为什么会高速移动，而且为什么多数星系都在远离我？哈勃用望远镜确定这些星云属于河外星系。并且在各个方向上都在远离我。人们才意识到宇宙在膨胀。不管怎么说，斯莱弗观测结果对发现宇宙膨胀有着重要意义。为人们提出宇宙膨胀观点，提供最早的依据。

丨光谱分析：用光的波长和颜色来观测过去的恒星

1666年，牛顿在研究日光时发现阳光通过玻璃窗射入后分成几种不同的颜色。而通过三棱镜同样会分离出如彩虹般的七种颜色。

由此认为，太阳光并不是单色光，而是有不同的颜色，也就是不同波长的光组合成的复合光。由于三棱镜对不同的波长的光有着不同的折射率，因此，太阳光进入三棱镜后，各种颜色的光的传播方向会产生不同的偏折，因此，在离开棱镜时会各自分散，将颜色按照一定的顺序，形成光谱。这种复合光分解为单色光而形成的光谱现象叫做光的色散。

雨后彩虹的形成和棱镜类似，只不过彩虹把空气中的小水滴当成了一个个棱镜。通常在可见光中红色的波长最长，折射率最小。紫光的波长最短，折射率大。应是太阳光经过小水滴的折射后，紫色光的方向改变最大，红色光的方向改变最小。因此，就形成了赤橙黄绿青蓝紫的七种彩虹。

不过，在可见光谱的红端和紫端之外，还存在着波长更长的红外线和波长更短的紫外线。他们都无法被肉眼所观察。但是可以通过仪器记录。因此，光谱中除了可见光谱外，还存在着红外光谱和紫外光谱。

那么话说，光谱分析与恒星或星系观测有什么关系？正如前面所说的，通过望远镜，我们只能看见恒星模糊的光点，可如果把望远镜瞄准个别恒星或者星系并与聚焦。却可以观测到恒星或者星系的光谱，一旦观测到这些恒星或者星系的光谱，就可以确定恒星的温度和大气构成。

丨多普勒效应：远去的声音会变低，远去的光呢？
前面我们讲到，斯莱弗观测发现了星系红移，说明星系正在远离我们。而在20世纪20年代。当天文学家开始观测其他星系中的恒星光谱时，他们发现了一个奇异现象：这些星系中存在着和银河系的恒星一样缺失的颜色的特征模式。只不过他们都向着光谱的红端移动同样的相对量。这同样说明，星系都在远离我们运动，那么这个结论从何而来？

要理解红移和星系远离的关系，我们必须先了解多普勒效应。相信很多人都有这样的经历站在火车站台的时候，你会听到火车接近或者远离的声音的变化。通常当火车由远及近的接近站台时。你会感觉火车的汽笛声变得很响亮声调很高。当火车由近及远的离开站台时，汽笛声又慢慢变弱。声调越来越低。对此现象坐在火车中的人通常不会有什么感觉，而站在站台上的人却感觉到很明显。人们听到的这种声音的变调是怎么回事呢？

1842年，奥地利数学家多普勒注意到了火车音调变化的这个现象。并对此进行了深入研究。 在多普勒看来，人听到的火车声调的变化，是由于振源与观察者之间存在相对运动。这种相对运动导致了观察者听到的声音频率不同于振源频率。我们知道对于火车来说，他的汽笛声音就是一个波，包含一连串波峰和波谷，当火车朝我们开来的时候，随着他发出的每一个连续的波峰。他与我们的距离越来越近。这样波峰之间的距离也就是声音的波长就比火车静止时更短，看起来似乎被压缩了，而长越短每秒钟到达我们的耳朵的波动就越多。声音的声调或者频率越高，我们就会听到更响亮的汽笛声。与此相对的，当火车离我们而去声音的波长。似乎被拉长了。到达我们的耳朵的波具有较低的频率，听起来汽笛声就逐渐减弱。

多普勒发现的这个频率移动的现象，叫做多普勒效应。1845年，河南气象学家拜斯•贝洛用实验证实了多普勒效应。他让一对小号手站在一辆运动火车上吹奏，他自己则站在火车站台上量听到小号声调的改变。结果他发现上站台上听到的声调是不同的。

在生活中，多普勒效应的运用有很多，应用多普勒效应制成血流仪能够对人体体内血管中的血流量进行分析。应用多普勒超声流量计还可以监测工矿企业管道中污水或者悬浮物的液体的流速。警察利用装有多普勒测速仪的监视器向行驶中的车辆发射频率已知的超声波。根据测量到的反射波的频率就知道车辆是否超速行驶。

明白了多普勒效应，我们就可以理解红移和蓝移了，其次，除了声波，具有波动性的光也会出现多普勒效应。他又被称作多普勒—斐索效应，而光波与声波的不同在于光波频率的变化使人感觉到的是颜色的变化，因此通过观测恒星光谱的颜色移动方向。我们就能得出恒心与我们的相对位置变化及他们到底是不是在接近还是远离我们。

光波的多普勒效应：红移表明，星系确实在远离我

丨哈勃定律：越远的星系“逃离”的速度越快
哈勃定律的发现，为现代宇宙学中占据主导地位的宇宙膨胀模型提供了重要的观测证据。
在证实河外星系的存在之后，哈勃和他的同事继续对精细的距离和光谱进行观测研究。不久后，他发现所有他分析过的光都发生了红移。也就是说，似乎所有星系都在远离我们。更重要的是，从他们辨认出造父变星来看，河外星系到地球距喵远超出了人们的想象。有的竟然达到几十亿光年。当然，哈勃和他的同事也意识到了。由于河外星系发出的光在到达地球之前要进行非常长的时间。因此，今天我们观察到的星系，其实是他们在遥远的过去的形象，他们事实上已经走过了十分漫长的演化之路。这在观察中，他们发现有些星系的距离达到了80亿光年。而它的光谱红移也远远大于其他星系。这叫意味着这些最老和最远的星系远离我们的速度最快。远超过我们那些距离相近的星系。

于是，在1929年，哈勃提出了著名的哈勃定律。即河外星系的视向退行速度v和距离d成正比。用公式表示是

                                                              v=Hd

哈勃定律也叫做哈勃效应。等式中的v单位是千米每秒，d的单位是百万秒差距（鸟差距是天文学上的一种长度单位。缩写为pc，1秒差距约等于3.26光年。更长的单位还有千秒差距kpc，百万秒差距Mpc）H为哈勃常数，单位是（千米每秒）/百万秒差距。2006年8月，来自马歇尔太空飞行中心的研究小组使用喵国家航空航天的钱卓X射线天文台发现哈勃常数是77（千米/秒）/百万秒差距。其中的误差是15%。到了2012年10月3日，天文学家使用喵航天局的斯皮策红外线空间望远镜精确计算出了哈勃常数。其数值的结果为74.3，误差在2.1范围内。

哈勃定律在天文学上有着广泛的应用，他是测量遥远星系的距离唯一有效的方法。只要测量出星系谱线的红移，再算出退行速度。就能有哈伯定律推算出该星系的距离。直到1936年更多的观测结果证明。星系的退行速度的确与距离成正比，即离我们越远，他们逃离的速度就越快。

越远的星系逃离越快！这意味着宇宙不可能如人们之前设想的那样是静态的，而是时刻处于膨胀之中。即在任何时刻不同星系间的距离都在不断增大。由此，现代宇宙学迎来了20世纪的重大发现：宇宙在膨胀

 

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参考文献：《时间简史》--霍金

本内容有删改~！