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不得了,天文知识增加了! | 第22期

2021-8-26 10:44| 发布者: xxxxxxxxx| 查看: 44379| 评论: 0

摘要: 面对未知的宇宙，人类永远是个好奇的孩子。“不得了，天文知识增加了！”【第22期】Q1：杯子【提问】能否通俗地解释下星星离我们的距离是如何计算出来的？A：前情提示之看图不看文系列：宇宙的距离测量阶梯/距离较近 ...

面对未知的宇宙，

人类永远是个好奇的孩子。

“不得了，天文知识增加了！”【第22期】

Q1：

杯子【提问】能否通俗地解释下星星离我们的距离是如何计算出来的？

A：

前情提示之看图不看文系列：

宇宙的距离测量阶梯 /

距离较近的话（太阳系范围内=。=），应用雷达测距即可，即电磁波反射。

FAST（“中国天眼”） /

远一些（邻近恒星，10^2光年）的使用三角视差法（Parallax）。这种方法的可行性还是得益于人类的一双眼睛，当我们盯着一个东西时，两眼互换着一闭一睁，可以发现眼前的物体似乎“瞬移”了一段距离，这就是视差。由此得到启发，想象我们有两只bling bling的卡姿兰大眼睛在太空漂浮，且分别位于太阳的两侧，所以，当我们在冬夏两季观测恒星时，就可以知其视差求其距了。

如图易知：），此刻回归到解三角形，不过若是距离太大角度太小的话，就不太行了。/

由于地面望远镜的视差精度为0.01角秒，因此无法对距离超过100秒差距的天体测距，也就是只能测到300光年左右的距离，否则误差将会很大。对于更远的，就只能通过下文的其他几种途径进行测量。

Gaia绘制的彩色星图 / ESA

再远些的（银河系范围内，即10^5光年），采用主序拟合法（Main-sequence fitting）。我们往往假设如果那些年龄质量相仿的恒星的距离相同，那么它们的亮度也相似。所以若是不一样亮，说明它们的远近不同。取出一颗主序星（作为所谓的“标准烛光”），根据这颗星星的颜色，就能够确定它在赫罗图里的位置，从而确定它的绝对星等（假定把恒星放在距地球10秒差距（32.6光年）的地方测得的恒星的亮度，实际有多亮），再比较观测出来的视星等（我们在地球上用肉眼看到的有多亮），然后代入星等与距离的关系公式，接着一通暴力运算就晓得啦。

赫罗图 /

更远些的呢（邻近星系，10^7光年数量级）就用造父变星（Cepheid variables）。造父变星是一类恒星，它们的绝对星等与和光变周期之间存在特定的关系。所以你只需“借力打力”观测周期即可知其亮度。接着同主序拟合法之理，比较我们在地球上观测到的视星等，就能计算出它有多远了。

更更更远的星星（比如10^10光年外的星系团），由于能见度太低，只能等超新星（supernovae）爆炸才有机会观测。科学家发现，I型超新星爆炸时候的最大亮度都是差不多的。也就是说我们假定了理论最大绝对亮度，只需要等到那个星系里头有I型超新星爆炸，然后观测它的最大视亮度，之后再同上代入公式暴力运算。

I型超新星亮度随时间的变化 /

此外，同数量级的测距方法还有塔利-费舍尔关系（Tully-Fisher relation），它取代了较难观测的本质光度，直接联系观测到的速度宽度，即漩涡星系的亮度与自转速率成正比，通过观测自转速率，得到绝对亮度，对比观测到的亮度，则可得出距离。

旋涡星系和透镜星系的塔利-费舍尔关系 /

至于九霄云外的那些——哈勃定律（Hubble's law）dēng dēng dēng děng登场～天文学家哈勃通过观测发现多数星系都存在红移现象，简单来说，就是它们彼此不断远去，这也被认为是宇宙膨胀的证据，其中，距离我们越远的星系红移量越大；特别地，哈勃发现星系的距离和红移量之间存在特定的比例关系。于是乎，我们通过测量河外星系谱线红移量，就能计算距离了~

总之，以上这些都被称为距离测量阶梯。

【智能（zhàng）机器人：好的距离现在我知道了，所以怎么去……？】

Q2：

A.J·Frost【提问】在没有秤的情况下怎样知道一颗恒星的质量？

A：

恒星的质量与恒星的距离一样，都是对天文学家来说十分重要的恒星参数（而且他们也没有称）。

一种双星系统的运动示意图 / wikipedia

宇宙中有约一半的恒星处于双星系统中，而只有运动轨道确定的双星的质量是我们可以直接测量得到的——高中物理知识就可以帮助我们解决这个问题，也就是运用牛顿万有引力定律或是开普勒第三定律进行计算（如果你忘记了，可以翻开高中课本怀念一下令人头秃的物理课；如果你是小小天文爱好者，别着急，也许有一天这些知识不知不觉就会刻进你的DNA）。

而对于那些不在双星系统里的恒星，尽管不能测出它们精确的质量，但天文学家仍然能够运用各种方法进行估算。

举个例子，我们都知道，一个星团的恒星往往是在同一段时间形成的，但它们在赫罗图上却会呈现一定的分布——是什么让这些同时诞生的恒星拥有不同的光度和温度呢？没错，就是因为它们拥有不同的质量。

双星系统Luhman16 / wikipedia

在这其中质量和光度会呈现出一定的关系，这就是估算恒星质量最重要的方法之一——“质光关系”（Mass-Luminosity Relation）。这种方法的缺陷在于只能对主序星进行估算；好在一颗恒星漫长的生命周期中，主序星阶段占到了90%。

对于其他时期的恒星，天文学家面对的往往是各种与质光关系类似的经验公式。这些公式有的已经得到了理论的解释，有的还在等着理论学家们填补空白——许许多多的天文学结论就是这样从观测到理论一步步得到的。

【智能（zhàng）机器人：开局一支笔，结论全靠算。】

Q3：

洛阳土豆【提问】我想问“奇点”的奇，读qí不读jī？

A：

由说文解字知，对于“奇”这个字，不同的含义有不同的读音：

奇 / 《说文解字》

值得一提的是，“奇点”的英文为"singularity"，这个单词派生于"singular"，有趣的是，"singular"作形容词时，虽然读音不变但它也有与singularity相似的两层含义。也就是，一般来说，在“奇”表示“特殊的，出人意表，奇异的”的时候，读音为qí；而在表示“数目不成双，不满整数”的时候，则读作jī。所以欲知“奇”的读音，还须知“奇”在“奇点”中的含义。

黑洞中心是否存在奇点？ / wikipedia

那么“奇点”是什么意思呢？

在数学中，“奇点”通常是一个当数学物件上被称为未定义的点，或当它在特别的情况下无法完序，以至于此点出现在于异常的集合中。例如：切线上、微分方程的奇点，复变函数不解析的奇点，读作qí。不过需要注意的是，在图论中度数为奇数的点——“奇点”读jī。

在物理学中，我们把一个存在又不存在的点称为“奇点”，此时读作qí，例如：奇夸克（strange quark）、奇点定理（singularity theorem）、宇宙奇点（singularity of the universe）等。

综上所述，“奇点”读作奇点（叉腰）。

【智能（zhàng）机器人：当然读奇点啊！】

Q4：

學吥慧【提问】我家四岁宇宙小迷弟想知道什么是类星体？是原始星系中心的亮点吗？

A：

这是哈勃空间望远镜拍摄的一张图像，你一定觉得中心的亮光是一颗明亮的恒星？——但事实上，这一束光与恒星没有任何关系。

由哈勃空间望远镜拍摄的3C 273 / Wikipedia

射电天文学于上世纪中叶刚刚兴起时，天文学家就在宇宙中发现了一类特殊的天体：它们往往是强烈的射电源，并且它们中的许多光学视形态与恒星十分相似。这些“类星射电源”（quasi-stellar radio sources）被赋予了一个简洁的名字——“类星体”(quasar)。20世纪60年代，通过长期的观测，数百个类似的天体被天文学家们发现。而当他们对这些类星体进行光谱分析时，谱线中许多强且宽的未知发射线让从未见过类似情形的天文学家束手无策。

在地球上观测得到的类星体HE0940-1050的光谱 / wikipedia

直到1963年，荷兰天文学家马丁·施密特（Maarten Schmidt）对类星体3C 273进行了光谱研究，证认出这些奇怪的谱线其实是经过高红移的氢以及一些其他元素的发射线。

“高红移”往往意味着极端的远距离（还记得吗？在Q1中介绍大名鼎鼎的哈勃定律时曾提到，红移越高意味着离我们越远~）。然而，如果类星体离我们那么遥远，那为什么我们还能观测到它如此强烈的辐射呢？尽管施密特的发现让类星体的研究产生了极大的进步，但也因此带来了更多疑问。

类星体与它的宿主星系 / HST

20世纪70年代后，随着黑洞理论和现代宇宙学模型的进一步发展、以及X射线天文台的建立，类星体的红移得到了证实——它们就是那么遥远但也如此强大。之后，更多有关这一类天体的谜团被揭开。

明明不是恒星，我们为什么又会觉得它像恒星呢？

首先，我们需要知道，类星体其实是寄生在宿主星系中的活动星系核（active galactic nucleus, 即AGN）的一种。如今普遍的活动星系核模型表明，这是一种中心为黑洞、周围为吸积盘、并被尘埃环环绕的天体。当吸积盘中的气体螺旋接近黑洞时，会产生巨大的辐射能量——这些能量被发射出来后，就能让我们看到它的光亮。

目前普遍认为的活动星系核结构模型

而当我们观察宇宙中的普通星系时，我们会发现它们往往是一个有一定面积的弥散的光源，但类星体所在的星系却不是这样。正是由于类星体极高的亮度，反衬得宿主星系的其他部分十分暗淡；同时，类星体的中心黑洞相对来说很小，因此产生辐射的区域也很小。所以当我们从地面观测它们时，才会觉得类星体看上去就如同一颗明亮的恒星，散落在宇宙的最深处。

【智能（zhàng）机器人：黑洞裹土说白了还是黑洞鸭……】

Q5：

小学森【提问】在外太空用力摇晃可乐瓶子，打开会喷出来吗？

A：

这取决于你在外太空的位置。

如果你在太空舱呢，闲来无事可以用吸管吸着喝（如果可乐液滴不会到处飘的话）。

真·太空喝可乐 /

但是如果你就是皮，非要喝前摇一摇再打开的话，可乐会……不会怎么样。因为在太空中是处于微重力状态的，摇晃可乐这个行为并不会给它造成太明显的压力变化，所以喷泉是看不到的。

也许可乐会慢镜头地以水球状冲出来，然后你也跟着慢镜头地向后漂移，想想画面感就很唯美（雾）。因为考虑到你比可乐重得不少（别伤心），飞出来的可乐并没有足够的动力把你往后推。但这和在地球上的场景有（can）些（bu）不（ren）同（du），不信你可以模拟试试（请在家长指引下操作）（摆手摆手之我没有教坏小孩纸.jpg ）

太空版可口可乐/STS-51F碳酸饮料罐 /

当然如果你带着一瓶可乐去太空遛弯，摇晃之后打开盖子，这时候除了不能喝之外，在低温之下它会凝华成小冰晶漂浮在空中，若有光照之下熠熠闪光，好不迷人。

【智能（zhàng）机器人：我喝的不是可乐，是行为艺术~】

收获知识，收获快乐~

【不得了，天文知识增加了！】栏目Q&A：

Q1. 没有被精选留言是否都能看到？

当然啦，我们每周都会确定一次各平台的提问情况，并把问题汇总在一起。

Q2. 本期没有被选上的问题，是否意味着落选了？

大家提出的所有问题都会进入我们的汇总题库，每期由小编从中挑选抽取。由于问题量大，可能偶有遗漏，大家请反复多次敲击我们。另外，问题的需求量、时效性和趣味性会被优先考量，同类问题我们也会作出一些筛选，还请小星星们耐心等待，或许哪一期就被翻牌子咯？

Q3. 提问的正确姿势是什么？

在所有平台的正确提问方式都是：

姓名 +【提问】：我这么可爱选我的问题好吗？（大误）

让我们再次复读：

在地球毁灭之前，

你可以通过以下四种途径，

把你的天文问题传达给我们：

1. 微信公众号：

在本条推送下留言，或以关键词【提问】为开头并发送你的问题到公众号后台。

2. 邮箱：

将姓名+问题发送至邮箱cinastronomy@163.com，邮件务必务必务必要注明【提问】哦。

3. 微博：

微博编辑#不得了，天文知识增加了！#并@中国国家天文，就可以进行提问啦。

下面是投票时间~

《中国国家天文》将为由大家票选出的“最佳问题”提问者送出精美礼物一份【下期公布】！另外每位问题入选者都将收到《中国国家天文》当期杂志一本——

点我，重温第20期

天文问题持续接收ing

感谢奇怪天文知识智囊库的倾囊相助 / 李蕙娴诺诺

科学审核 / 苟利军

策划 / 黄京一怀尘编辑 / 怀尘诺诺

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