宇宙的大小由人类智慧的高低决定 我们对宇宙大小的理解

作者：文/虞子期

在我们所生活的地球之外，有不计其数的天体和其他物质存在，通常我们在形容一个地外物体时，会习惯性的先介绍它和地球之间的距离。这些遥远而神秘的物体，可能是行星、卫星，甚至是星系。现在的我们，可以有足够的信心表示，银河系的直径大约为10万光年，而我们能够通过技术手段观察到的宇宙范围，当然远超过这一距离尺度。但是，这些距离值的背后，可能意味着不同的测量方法，宇宙中所涉及物体的距离是如此之大，以至于我们没有一种简单的方法来测量它们，并且，我们对宇宙大小的理解，完全取决于宇宙距离阶梯。

关于宇宙中的距离测量，一直是天文史上的一个重要进步，因为，它不仅告诉了我们宇宙有多大，还揭示了宇宙处于什么样的状态，以及它将如何随着时间的推移而向前发展。宇宙距离阶梯，就是对不同类型的物体和现象进行一系列测量，而每一次的测量都建立在阶梯的前一步骤上。并通过使用不同类型的测量（和智能猜测）扩展阶梯，我们也因此才得以测量宇宙中越来越大的距离。而在测量宇宙距离的不同方法中，脉动造父变星和爆炸超新星这两类变星，则为宇宙距离阶梯提供了关键步骤，甚至在某种程度上，科学家们对宇宙距离阶梯的物理研究，就是对变星的物理研究。

在对小麦哲伦云的观测中，当科学家测量了造父变星的周期、每个恒星的相对亮度之后发现，所有恒星的周期和表观亮度之间都存在着密不可分的关系，即周期较长的恒星比周期较短的恒星更亮。这是现代天体物理学中的一个至关重要的发现，因为，这意味着人们可以轻松地测量造父变星的脉动周期， 并借此获得距离。虽然麦哲伦云中的恒星距离太远，研究人员无法使用视差来测量距离，但是在距离阶梯中有足够的经过良好校准的中间步骤，可以让我们校准附近造父变星的周期和亮度之间关系。并且，该发现被证实不仅适用于造父变星，也适用于许多其他脉动变量。而PL关系，也已成为宇宙中距离测量最重要的工具之一，这使得天文学家能够最终理解银河系和所有其他“螺旋星云”的大小和形状。

为什么恒星具有不同的内在亮度？事实上，恒星发出的光量取决于它的物理尺寸和温度。而造父变星处于相当狭窄的温度范围内，因此两个造父变星之间的主要区别只在于它们的大小。我们可以使用简单的动力学论证证明，恒星完成一个脉动周期所需的时间与恒星的大小成正比，当恒星越大，完成脉动周期所需的时间也就越长。由于更大的恒星更亮，因此我们就可以确定周期和光度之间的关系。更关键的是，我们还可以使用造父变星来校准距离阶梯的另一个梯级，红移。我们可以通过造父变星获得到附近星系的距离测量，因为红移显示距离和红移之间有明确的直接关系，红移可用于测量数亿或数十亿光年的距离，而不只是用造父变量可能观察到的数千万光年。鉴于Henrietta Swan Leavitt对时间和光度关系的发现和早期工作，Cepheid PL关系现在被称为Leavitt法则，它成为了20世纪最重要的天体物理学发现之一。

量测宇宙中距离的科学家们，经常使用 “标准蜡烛”这个术语，作为遥远目标中校准光源的隐喻。为了测量很远的距离，需要一个非常明亮的蜡烛，而超新星就是最明亮的变星之一，哪怕是数亿光年遥远的星系中，我们也能够看到超新星。并且，它们是许多不同类型的超新星，主要来自两种不同类型的祖先，包括大规模白矮星在灾变可变二元系统中的崩溃和爆炸，以及大规模恒星在其生命末端的崩溃。而我们现在所讨论的系统，则是最有趣的崩溃的白矮星系统，它也被科学家们称为“Ia型”的超新星。在Ia型超新星中，二元系统中的白矮星正在从二进制的二级恒星中吸收物质，而白矮星对它们的质量到底有多大限制（大约是太阳质量的1.4倍），这被称为Chandrasekhar极限。

如果白矮星变得比这更大，那么使恒星抵抗重力的原子力，将不再能够支撑外层的重量，并且还会发生恒星坍缩。例如，通过吸附来自同伴的物质。当这样的情况发生之时，恒星的核心经历了猛烈的核反应，产生了巨大的能量，当然，恒星还会发生爆炸，并完全破坏它。由于所有Ia型超新星都是由相同的物理过程所引起，因此，Ia型超新星的行为也大致相同，会在爆炸时释放几乎相同的能量，这也正是寻找标准蜡烛时所需要的。更好的是，Ia型超新星是明亮的，并且可以超越星系中的所有其他恒星，所以，我们可以通过数亿光年远的星系探测到超新星，更为我们提供了一个强大的工具，来校准比造父变星更远距离的红移。

在20世纪90年代后期，科学家们试图在遥远的星系中寻找和记录Ia型超新星，这是一项试图了解宇宙基本性质的大型研究的一部分。当时的人们认为红移与超新星的峰值亮度之间的关系应该是恒定的，宇宙的膨胀自大爆炸以来也一直是恒定的。然而，在这次研究中有了新的发现，在更高的红移下，Ia型超新星比这种不断扩张所期望的更为暗淡，这意味着它们距离更远，并且，宇宙并没有以恒定的速度扩张，而是在加速。这是第一个暗示存在称为“暗能量”的观察，，但其原因和起源仍然很大程度上未知。虽然“莱维特定律”代表了一种衡量宇宙大小的新方法，但宇宙加速度的测量却带来了对宇宙学的全新理解。

关于测量宇宙距离的其他方法，我们可以用列举的方式更容易理解。当我们测量太阳系以内的距离之时，由于我们可以直接观测它们，因此可以通过使用雷达和一些简单的三角测量便能完成；而当我们的测量对象距离很远之时，比如穿过了太阳系，雷达在这种情况下是很难使用的，因为仅仅是穿过的时间可能就需要耗费几个小时，此时我们可以使用难度较高、但却更直接的三角视差测量法，即通过测量它们在一年中相对于背景恒星的移动程度，来推导到附近恒星的距离。

视差的测量需要非常精确地测量天空中恒星的位置，这种方法是我们测量恒星距离最直接的方法，但它有一个前提条件，那就是仅限于大约一千光年距离以内的范围。除此之外，我们不仅要开始依赖观察，还要开始依赖我们对天体物理学的理解。例如，在视差之后，我们可以使用开放星团 ，也就是同时形成的具有相同年龄、但不同质量的恒星组，通过它们的温度和光度来有根据的做出关于绝对亮度（以及因此距离）的推测。我们使用可以测量视差的聚类，来校准之前的那些推测，然后，将它们向外扩展到我们无法测量视差的位置。宇宙中的距离测量，一直是天文史上的一个重要进步，而宇宙距离阶梯，则提供了更多关于宇宙本质的见解。