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星系红移之谜

已有 10286 次阅读 2008-3-11 09:21 |个人分类:生活点滴|系统分类:科普集锦

 
宇宙间的-切物质都在运动中。遥远的星系也在运动着,它们都在远离我们而去。例如,室女座星系团正以大约每秒1210公里的速度离开我们,后发座星系团约以每秒6700公里的速度离开我们,武仙座星系团约以每秒l0300公里的速度飞奔而去,而北冕座星系团离开我们的速度更大,大约每秒21600公里。星系为什么要离开我们?我们又是怎么知道它们在运动呢?
 
在生活中我们都有这样的经验:在火车站站台上,一列火车呼啸着向我们奔来,汽笛的声调越来越高,当火车离开我们时,汽笛的声调逐渐降低。这是什么道理呢?1842年,著名的奥地利物理学家多普勒首先阐述了造成这种现象的原因。他指出:生源想到对贯彻在运动时,观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大,改变就越显著,后人把它称为“多普勒效应”。
 
多普勒效应不仅适用于声波,而且也适用于光波。一个高速运动的光源发出的光到达我们眼睛时,其波长和频率也发生了变化,也就是说它的颜色会有所改变。虽然天文学家可以利用这一原理测量天体的运动,但是在一般情况下,天体相对于观测者的运动速度与光速相比是微不足道的,因此光源颜色的变化很难测定。
 
星系是巨大的恒星集团,但由于它们离我们非常遥远,每个星系往往只能在大望远镜拍摄的底片上看到一个微弱的光点。第一个观测和测定星系光谱的天文学家是美国洛韦尔天文台的斯里弗。l912—1925年,他拍摄了40个星系的光谱照片,除了两个星系外,其余都呈现波长偏长的多普勒频移,即向光谱的红端位移,所测得的离去速度高得惊人,最高达5700公里/秒。
 
对星系视向速度的研究继续进行着。天文学家发现,星系的谱线位移和恒星的谱线位移很不一样。首先,恒星的谱线位移有红移也有紫移,这反映恒星有的在远离我们,有的在接近我们,而星系的谱线位移绝大多数是红移,紫移的极少。其次,恒星的谱线位移不论是红移还是紫移,一般在每秒数十公里左右,最大的不超过每秒二三百公里,而星系的谱线红移每秒1000公里以下的只占少数,多数是每秒2000~3000公里,有的甚至达到每秒1万公里。
 
1929年,美国天文学家哈勃发现,在宇宙空间不仅几乎所有的星系都具有谱线红移现象,而且还存在着星系的红移量与该星系的距离成正比的关系,也就是说,越远的星系正在以越快的速度飞驰而去,这被称为哈勃定律。
 
有了哈勃定律,天文学家通过观测星系的谱线红移量,求出星系的视向速度,进而得出它们的距离。例如,一个以1700公里/秒的速度远离我们而去的星系,其距离约1亿光年;一个以17000公里/秒的速度远离我们而去的星系,其距离约10亿光年。目前已观测到的最远星系,正以与光速相差无几的速度远离我们而去,其距离达100多亿光年。为什么星系都在离我们而去呢?
 
红移的本质是什么?为什么会存在哈勃定律?这些问题已经争论了半个多世纪了,但一直未能得到圆满的解释,因而成了天文学里的老大难问题。
 
在哈勃定律发表前两年,比利时天文学家勒梅特就提出了宇宙膨胀的概念。1930年,英国天文学家爱丁顿把勒梅特的模型和哈勃定律联系起来,称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末,在发现了太阳的巨大能源来自热核反应后,美国物理学家伽英夫把宇宙膨胀论和基本粒子的运动联系起来,提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起源于高温、高密度的,“原始火球”的一次大爆炸。在热大爆炸模型提出后的一段时间内,很少有人关心它。直到1965年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微波背景辐射(也称字宙背景辐射)后,才使大爆炸学说一跃成为最有影响的学说.随着其他研究者的后继测量,宇宙背景辐射已成为大爆炸模型有效性的有力见证,成为考虑宇宙中大足度流动的有用的“绝对框架”,还因其表现的各向同性,成为发表星系形成理论的重要约束。
 
天文学家认为,所谓宇宙大爆炸,并不能想象为高密度高能量的宇宙物质在爆炸后,高速冲向早已存在的空虚的空间之中,如果这样,原爆炸中心将会留下一个逐渐增大的空洞。同时,爆炸时辐射比物质走得快,结果爆炸时发出的所有辐射就会与物质分离。实际上这两种现象都不存在,因此宇宙大爆炸必须想象为空间本身自大爆炸开始以光速膨胀。
 
大爆炸学说比较自然地说明了许多观测现象,而且理论和观测结果比较好地相符。但是也遇到了一些问题,其中最突出的是“原始火球”是从哪里来的?有的天文学家认为:起初宇宙是极其稀薄的气体,由于万有引力的作用,逐渐收缩成一团超密物质。然后再爆炸,经过膨胀阶段,而重新归于稀薄,稀薄得简直和绝对真空相差无儿。我们恰巧生活在宇宙比较饱满的这个非常短暂的时期中。自然,以后还可以再收缩,再爆炸,再膨胀。1965年,美国天文学家桑得奇甚至估计这种“脉动宇宙”每振荡一次大约需要800多亿年。这种理论是现实,还是“神话”,目前还不能轻易下结论。
 
另外一些天文学家,他们不认为星系谱线红移是由它们的退行速度引起的,因此也就不存在宇宙膨胀的问题。然而,要在多普勒效应之外,再找出红移的另一种解释,实在太困难了,至少从目前看来是这样。
 
有一种解释认为:,发出光谱的天体因本身的物理状态不同而产生红移。例如由于星系那里引力特别大,因此发出的光谱中红移特别大,这叫做引力红移。引力红移是广义相对论的预言之一。根据广义相对论,当一个观察者从远离引力场的地方,观测处在引力场中的辐射源发射出来的光的时候,谱线会向长波方向移动,移动量与辐射源和观测者两处引力势差的大小成正比。这种效应最初是在白矮星中得到证实的。但根据引力理论计算的结果来看,引力对红移的影响很小,不足以说明观测到的星系红移现象。
 
另一种解释则认为光线与传播途中物质相互作用产生红移。光线由星系发出之后,要经过若干万光年才能到达地球,光在长途传播中要穿透许多星系际介质区域,光和介质发生了某种相互作用,使光谱产生红移。星系越远,途中遇到.的介质就越多,因而红移也就越大,但光与介质相遇如何相互作用而产生红移,还没有令人满意的解释。
 
还有一种解释是光线本身变化而产生红移。光线在几千万年的传播之中,光子发生了老化,波长变长而出现了红移,由此推断越远的星系光线走得越久,所以看到的红移也越大。这一假说没有得到实验的证实。
 
正当星系红移问题闹得不可开交的时候,60年代又出现了类星体的红移现象,使问题变得越发复杂了。根据对类星体物理性质的研究。可以肯定,类星体是河外天体。属于星系这一层次。既然如此.它们的红移是不是也像正常星系那样可以解释为退行并满足哈勃定律呢?要直接验证这一点是困难的,因为至今还没法求出类星体的距离。对类星体进行统计,结果发现在红移—视星等图上,它们的分布毫无规律,这到底是什么原因呢?
 
大多数天文学家坚持认为:类星体的红移是宇宙红移,即红移反映了退行,而且红移和距离之间存在着哈勃关系。证据是类星体的物理性质与某些活动星系很类似,而活动星系已被证明是满足哈勃定律的。另外,已发现几个类星体分别很靠近某个基系团或就在星系团内,而且类星体与星系团的红移近似相等。还发现某些类星体很靠近一些星系,而类星体和星系的红移也大致相同。他们认为,类星体在红移—视星等图上之所以弥散,是由于类基体的绝对星等弥散太大,而不是因为哈勃定律不成立。
 
少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体和亮星系进行抽样统计研究,发现有些互相成协(即联在一起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中,其吸收线的红移量与发射线的红移量互不相同,而且不同的吸收线还有各不相同的红移量,即多重红移。而成协天体的不同红移和同一天体的多重红移,都是用多普勒效应无法解释的,必须寻找新的红移机制。已提出的除了上面讲到的引力红移、光子老化、物理常数变化等红移机制外,还有一种所谓的“横向多普勒效应”。类星体的巨大红移可能说明它的横向速度很大。
 
上述这些观点,有的仅仅是假说,有的虽有理论根据,但并不能很好地解释类星体的红移.持非宇宙学红移观点的人认为,类量体的红移是对现代物理学的挑战。
 
对星系普遍存在的谱线红移的观测和研究.有力地推动了以整个可观测宇宙的结构、起源和演化为课题的现代宇宙学的迅速发展。星系红移的真相一旦被揭开,人类对宇宙的认识必将有一个更大的飞跃。

原作:李芝萍 

整理:占礼葵 

 


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