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互相残杀,告诉我们距离有多远

日期:2019-07-08编辑作者:澳门新葡8455手机版

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想象一组双星系统,两个闪亮着的天体彼此围绕着转动,非常快,而且不怎么对称。两者中的一个家伙是一颗巨大的红色愤怒火球。另一颗也很亮,但却小了太多太多。它的大小只和地球相仿,却亮得发白。不要被你所看到的大小所迷惑。虽然两者的大小有着巨大不同,但那颗微小的星球才是这里的主宰,而不是那个红巨星。那个小小的白色圆球是在你到达前几亿年就发生爆炸的恒星所留下来的内核遗骸。当一颗恒星死亡时,它将自己的外层朝着各个方向抛入太空,但内核则被压缩变成现在在你眼前发光的新的星体。它的名字叫白矮星。

然而事实却并非如此。

你看着那颗体积巨大的恒星越来越多的物质掉落到白矮星的表面,明显感觉到某些不同寻常的事就要发生。你是对的。白矮星的确收获了许多质量,到达了太阳质量的140%,一个质量门槛。越过这个门槛之后,白矮星自己内核的压力突然大到以一种新的剧烈到超乎想象的链式反应,给自己带来了非凡的死亡。一眨眼间,它炸了开来。这种爆炸所发出的亮度超过太阳五十亿倍。真是让人印象深刻的告别演出。

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在二十世纪二十年代,哈勃用来自远处星系的造父变星的光线颜色移动来计算它们的速度,而且他还发现它们一心离我们而去速度与它们离我们的距离成正比:若一个星系离我们的距离是另一个星系离我们距离的两倍,那么前者的退行速度也是后者的两倍。这条定律现在被称为哈勃定律。

这真是一场漫长的杀戮……

但对于星系间距离的估算,这个方法就显得力不从心。因为星系们离我们实在太远了。位于地球上,绕着太阳旋转的你,冬天与夏天对于天体的视角差别可达三亿公里,但依然不够。星系们都属于固定背景。要猜出它们的位置,你需要第二号方法,牵涉到一种非常独特的被称为造父变星的恒星。

这两颗恒星曾经是一对双星,在进入衰亡期成为白矮星后,它们依旧彼此环绕转动,这种看上去亲亲热热的近距离亲密互动,却暗藏着巨大的杀机。

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造父变星是一种非常明亮的恒星,而且它们所发出的光会非常规律地在最亮与最暗之间变化。让人难以相信的是,科学家们找到一种方法能够将这种亮度变化的周期与它们所发出的总光量联系起来。而这个信息就足以告诉科学家们那些恒星离我们有多远:就像号角所发出的声响传到我们耳朵中时会随着它从源头走过的距离增加而变轻,光也一样。我们能够收集到的位于远处的造父变星到达地球的光占其总发光量的比例就告诉了我们它们的距离。幸运的是,宇宙里有许多造父变星。

原标题:万万没想到,星星之间居然会“互相残杀”

白矮星巨大的密度带来的强大引力远胜于红巨星自身,这颗恒星注定难逃厄运。它都无法保住自己的外层。在围绕着白矮星转动时,红巨星自己的表面被撕开,形成一长条明亮炽热燃烧着的等离子尾巴,向着它贪婪的舞伴盘旋而去,形成一条闪亮扭曲的宇宙大河蜿蜒流向白矮星的表面,在那里,它被收获并压缩。

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第一种方法适用于各种天体,包括恒星或行星,只要它们离我们不是太远。这是三种方法中最简单的一种,而且依赖常识。想象你坐在行驶于高速路上的车里,透过侧面车窗看向两边的树木。离你车近的树很快经过,而离得远的那些则以慢许多的速度移动。高耸在远处地平线上的山脉看上去就像根本没有动。它们可以被看成是固定的背景。

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​如何判断夜空里的某颗星星离你近,而另一颗离你远的?只看亮度显然是不够的。恒星们个头不同,各种大小都有,因此它们的亮度也有着巨大差别。在地球上看到的一颗明亮的恒星,可能体形巨大而距离遥远,或体积小一些却离得很近。我们显然还需要一些别的手段才行,历史上的科学家们想出了三种不同的方法来估算宇宙距离。

大恒星“吃”得越来越“胖”,质量和体积不断增大,而小恒星却在不知不觉中被吞食得越来越小,最终如同一个被啃食殆尽的苹果,只剩下一个光秃秃的星核。

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星星的杀戮

哈勃定律足够简单,而且它与已知现实吻合得很好:空间与时间早在几十亿年前就已变成今天这样,时空的膨胀从一开始就一直进行,并且看起来作为能量被激烈释放的结果也非常合理,在随后的几十亿年里,宇宙膨胀的速度也已经慢了下来。

photo by Jorge Elías

在极端致密的王国中,白矮星排名第三,仅落后于中子星(它被取了这个名字是因为它只含有中子)与黑洞。所以你或许猜测它们都正进行着非常猛烈的核聚变,就像在恒星内核中一样,但事实并非如此,除非它们能够找到办法不停生长。事实上,白矮星只有在它们的质量小于太阳质量的140%的情况下才能保持自己的白矮星身份。

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科学家曾观察到这样的现象:在距离地球大约10亿光年的地方,有一大一小两个星系,大的直径约为20万光年,小的约为2万光年,彼此相距约为32万光年。在大星系引力的吸引下,小星系不由自主地围着大星系转动,在这个过程中,大星系毫不客气地不断吞食着小星系。

Ia型超新星比其他一切天体都亮许多,因此与造父变星不同,人造的望远镜能将它们从遥远的星系中分离出来。知道了它们真正的亮度,就像利用造父变星的原理一样,科学家们就能推测出它们离我们的距离,以及它们离我们远去的速度。

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这种爆炸形成了所谓的Ia型超新星。在所有星系中,它所发生的频率都是大概一百年一次。对于我们来说,它们是一种非常方便的工具,因为它们都很相似,甚至一模一样:它们的发生总是在一颗白矮星吞噬另一颗恒星后质量超过了太阳质量的140%,因此它们永远放射出同样亮度的光——五十亿个太阳所发出的光被合并在一个不比我们地球大多少的小点上。它可比造父变星亮多了。这个特点让它们成为照亮我们宇宙最远处的理想的蜡烛,我们可以借此验证哈勃的膨胀定律。

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