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河外星系的证认和观测宇宙的扩大(2)

时间:2010-01-29  归属:天体演化
人们已经知道行星和恒星都是运动着的天体,那么,作为更大尺度的天体——星系是否也在运动以及是怎样运动的问题便随之提出。哈勃在这方面更做出了他最大的贡献。哈勃通过星系的光谱观测,发现星系中特定原子发射的光的波长,与地球上实验室内同种原子发射的光的波长相比普遍变长,即Δλ=λ-λ0>0,星系的光呈现某种系统性的红移。这就可以根据多普勒效应由(4.4)式求出星系的退行速度V。特别是哈勃还采用各种方法测量和估计了星系的距离。例如,比较诸星系中具有相同绝对星等M(即光度L)的恒星的视星等m,并由(4.7)式求得恒星所在星系的距离D。1929年取得的结果表明,星系的距离D越远,退行的速度V也越大。用著名的哈勃定律表示就是:

V=HD (4.10)

式中H称为哈勃常数。用现代观测数据对哈勃定律所作的图解示于图4.12。该图表明,遥远星系的退行速度的确正比于它们的距离而增大。

同太阳系内行星围绕太阳转、银河系内恒星围绕银心转的情况不同,由哈勃定律所揭示的星系(以及由众多星系所组成的星系团)的运动则是彼此在退行,而且星系和星系团之间的距离愈远,退行的速度也愈大。这一意外的结果,看来作以下比喻才好理解。设想在一个气球表面上布满了许多尘粒,那么,随着气球的膨胀,各个尘粒之间的距离也必然增大,但尘粒本身的大小并未改变。现在把星系和星系团看作尘粒,把它们所处的空间看作气球表面,则哈勃定律告诉我们:星系所在的空间在膨胀,这正是宇宙膨胀的一个重要表现。

因为遥远星系所发出的光只有传到望远镜所在的观测点以后才可能被看到,而光的传播所需时间等于距离除以光速,所以星系愈遥远我们所能看到的就愈是它过去的情况。由哈勃定律可以推知,早年星系所在的空间小,因而看起来应当更为密集。1995年12月哈勃空间望远镜拍摄的一张宇宙最深处的照片就是明证。图4.13所示的照片,是由哈勃望远镜的宽视场照相机拍摄的276个画面拼接而成的。在大约为月球直径1/3的视场内,竟然有大约1500个遥远的星系,而投影在星系背景上的银河系内的恒星则只有很少几颗。这些星系中的绝大多数都是以前从未看到过的,它们可能处于各种不同的演化阶段,有的甚至可能是在大爆炸之后10亿年内形成的。这样,把宇宙的基本单元看作是星系就有了确切的观测依据,而由遥远星系所标示的观测宇宙的范围竟扩大到上百亿光年。这是20世纪初爱因斯坦建立广义相对论时决没有想到的,那时连是否存在河外星系都不清楚。

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