试验十五河外星系红移的测定
时间简史(第2章)
第2章膨胀的宇宙银河系是一个庞大的恒星系统，而我们的太阳以及邻近的恒星全都是银河系的组成部分。
长期以来，人们一直以为银河系就是整个宇宙。
只是到了1924年，美国天文学家埃德温·哈勃才证实我们的星系并不是独一无二的。
事实上，还存在着许许多多其他的星系，而在星系之间则是广袤的虚无空间。
为了证明这一点，哈勃必须确定这些河外星系的距离。
我们可以确定邻近恒星的距离，办法是观测它们因地球绕太阳运动而引起的位置变化。
但是，河外星系实在是太过遥远了，这与近距离恒星的情况不同，它们看上去完全固定不动。
因此，哈勃只能通过间接的方法来测量它们的距离。
须知，恒星的视亮度取决于两个因素：光度，以及它离我们有多远。
对于近距离恒星来说，我们可以测得它们的视亮度和距离，于是便能确定它们的光度。
相反，要是我们知道了其他星系中一些恒星的光度，就可以通过测定它们的视亮度来推算出它们的距离。
哈勃论证了存在某些类型的恒星，当它们距离我们近得足以被我们测量时，它们有相同的光度。
于是，如在另一个星系中发现了同类恒星，我们就可以设想它们有着同样的光度。
这样一来，便可以计算出那个星系的距离。
如果可以对同一个星系中的若干颗恒星实施此类计算，并总是得出相同的距离，那么对星系距离的估计就相当可信了。
通过这条途径，哈勃得到了九个不同星系的距离。
现在我们知道，利用现代望远镜可以观测到数千亿个星系，银河系只是其中之一，而每个星系又含有数千亿颗恒星。
我们生活在一个缓慢自转中的星系之内，尺度约为10万光年；它有若干条旋臂，旋臂中的恒星绕着星系中心作轨道运动，大约每一亿年转过一周。
我们的太阳只不过是一颗中等大小的普通黄色恒星，它位于其中一条旋臂的外边缘。
毫无疑问，自亚里士多德和托勒密以来我们经历了漫长的认识之路，而在他们那个年代地球被认为位于宇宙的中心。
恒星的距离实在是太远了，以至于看上去它们只是一些非常小的光点。
我们不可能确定恒星的大小和形状。
那么，怎样才能把不同类型的恒星区分开来呢？对于绝大多数恒星来说，唯一可以观测到，且不致发生误判的特征是它们的光的颜色。
哈勃定律
哈勃开展的这项观测研究是非常细致又极为枯燥的，他在相当长的一段时间内投入了自己的全部精力。
与现代设备相比，1920年代观测条件很简陋，2.5米口径望远镜不仅操纵起来颇为费力，而且不时会出现故障。
星系是非常暗的光源，为了拍摄到它们的光谱，在当时往往需要曝光达几十分钟乃至数小时之久，其间还必须保持对目标星系跟踪的准确性。
为获取尽可能清晰的星系光谱，哈勃甚至迫不得已用自己的肩膀顶起巨大的镜筒。
人们调侃地形容说“冻僵了的哈勃”就“像猴子般地”成夜待在望远镜的五楼观测室内，“脸被暗红色的灯光照得像个丑八怪”，由此足见这位天文学大师严谨的科学态度和顽强拼搏的科学精神。
功夫不负有心人，经过几年的努力工作，到1929年哈勃获得了40多个星系的光谱，结果发现这些光谱都表现出普遍性的谱线红移。
如果这是缘于星系视向运动而引起的多普勒位移，则说明所有的样本星系都在做远离地球的运动，且速度很大。
这与银河系中恒星的运动情况截然不同：银河系的恒星光谱既有红移，也有蓝移，表明有的恒星在靠近地球，有的在远离地球。
不仅如此，由位移值所反映出的星系运动速度远远大于恒星，前者可高达每秒数百、上千公里，甚至更大，而后者通常仅为每秒几公里或数十公里。
在设法合理地估计了星系的距离之后，哈勃惊讶地发现，样本中距离地球越远的星系，其谱线红移越大，且星系的视向退行速度与星系的距离之间可表述为简单的正比例函数关系：v=H0r，（v表示星系的视向速度，星系的距离为r）这就是著名的哈勃定律，式中的比例系数H0称为哈勃常数。
哈勃于1929年3月发表了他的首次研究结果，尽管取得了46个星系视向速度资料，但其中仅有24个确定了距离，且样本星系的视向速度最高不超过1200公里/秒。
实际上当时哈勃所导出的星系的速度－距离关系并不十分明晰，个别星系对关系式v=H0r的弥散比较大。
后来他与另一位天文学家赫马森（M.L.Humason）合作，又获得了50个星系的光谱观测资料，其中最大的视向速度已接近2万公里/秒。
科学史十五讲第15讲 大爆炸与宇宙起源
需要说明的是，将布 鲁诺送上火刑架的主 要原因并不是他对哥 白尼学说的信仰，而 是他的《论无限的宇 宙和多世界》，被罗 马教会宣布为“异端 邪说”！
笛卡尔的“漩涡学说”
宇宙空间充满了物质 微粒—“以太”，以 太的漩涡运动促使物 质向中心聚集，从而 形成太阳，其余物质 慢慢形成了地球和其 他行星，残余的物质 则形成了透明的天空。
14
15
爱因斯坦的失误
1917年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇 宙学所作的考查”一文中通过求解广义相对 论引力场方程，引入了宇宙常数项，建立了 一个“静态、有限、无界”的宇宙模型。 静态：从大尺度来考察，宇宙空间中的物质 基本上是静止不动的； 有限无界：宇宙空间是三维的，它的大小有 限，光线在这个空间中沿着弯曲路径传播， 始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。
1932年，比利时的主教、天文学与宇宙学 家勒梅特根据哈勃的发现，提出了原始原子 爆炸的宇宙模型，他认为，现在观测到宇宙 是由一个极端压缩状态的巨大的原始原子通 过一系列相继的裂变过程而形成的。这一过 程经历了三个膨胀阶段：快速膨胀期、慢速 膨胀期、加速膨胀期。描述了一个膨胀着的、 物质分布均匀的、各项同性的宇宙。
36
大爆炸“余烬”的存在被首次证实！
但是正当他们刚刚开始这项工作的时候，接 到了彭齐亚斯的电话！ 迪克立即带领一个小组访问了贝尔电话实验 室，他们发现，彭齐亚斯和威尔逊发现的 “噪声”不是别的，正是他们自己准备寻找 的宇宙背景辐射！ 六个月后，迪克小组用自己的辐射计在3.2 厘米波长处也发现了3k背景辐射！
3
一、简短的历史回顾
印度：“象-龟”模型 中国：盘古开天辟地 希腊：地球在水上浮动 基督教：上帝的创生
哈勃发现星系光谱的红移现象
哈勃发现星系光谱的红移现象
哈勃在研究大量河外星系时发现，离我们距离越远的，退行的速度越快，大概是一个线性关系，这根直线的斜率，现在叫作哈勃常数。
既然是研究星系时发现的现象，自然和单个恒星的颜色没有什么关系。
将这种现象解释为宇宙在膨胀，那么就可以得到离我们远去的天体，其光谱会发生红移这样的结论。
题外话，后来有人去研究哈勃使用的原始数据，发现其实散布范围很大（受限于当时观测精度），严格地说是无法得到线性关系的，哈勃同志还是胆子大，一敢“造假”，或者好听点叫靠物理直觉得到了正确的关系。
二敢挑战权威，直接否定宇宙稳恒态模型，击碎了一大批科学家的三观（包括爱因斯坦）。
天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现这个发现在很
通常是以测定某个星系中“造父变星”来推知星宙
年龄约2
的亿年。
而这种方法对遥远星系却不适用，但
要精确地测定退行速度，遥远星系则更合适。
如何测定
它们的距离呢？一是利用比“造父变星”更亮的“行星状星云”
，
或者
利用超新星爆炸。
用这些方法得出的宇宙年龄为80
～120
亿年。
有人
认为早期的宇
但低值宇宙年龄的正确性值得怀疑，因为作为宇宙组成部分的球状星团的年龄至少已有
130
亿年。
宇宙年龄的340
亿年，其根据是宇宙膨胀的不均衡
在飞到地球附近时，速度
号在金星表面各拍摄了一张金星全景照片，
金星
号拍得四张金星表面彩色照片，金星表面覆
盖着褐色的砂土，岩石结构像光滑的层状板块；金星
15
号通过雷达对金星表面进行了综合考察。
（完）
都比上次要大得多，又
过了差不多一百年，冥
王星才在1930
年被发
现。
找到了冥王星，
问题并未真正解决，
因为海王星在
扣除冥王星的影响后依然
还有偏差!
因此很多人相信，
外面一定还有第十颗行
星的存在。
为此，
争论至今没有停止过。
与此同时，
另一种在太阳与水星之间。
读《探求上帝的秘密》后感
读《探求上帝的秘密——从哥白尼到爱因斯坦》后感虽然我之前在超星上下载了这本书，但是当我从图书馆借到了这本书时，我才知道了这本书获得第十一届中国图书奖，是《科学漫游丛书》（1.生生不息——生殖的奥秘，2.漫游南北极，3.寻找地球以外智慧生命，4.探求上帝的秘密——从哥白尼到爱因斯坦，5.工业化学漫谈，6.让射线造福人类，7.飞上蓝天飞向宇宙，8.电脑与电脑时代，9.让地球永葆青春）整套丛书中的一本，在这本书的序中，一开始就介绍了这套丛书的内容，明确说明书中仅涉及现代科技成果的极小部分，但已足令人感叹，大有“相见恨晚”之感。
而整套书在旨在激发人们的才情和向上的精神，提高民族素质；增长人们的科技知识，开阔视野；增加对新科技成果的兴趣，热爱大自然；理解科学技术在社会发展中的作用，热爱科学；也有利于养成科学的思想方法、建立正确的世界观。
而且丛书是以初中毕业生的知识水平为基础编写的，内容详实翔实，语言流畅，力求生动，说理清楚，层次分明，系统性强，并注意反应最新科技成果，有文有图，通俗易懂。
所以说《探求上帝的秘密》这本书是一本适应面较宽的科普读物，在前沿就说明本书主要介绍了物理学和天文学发展的不平凡历程和一些最新成果，特别是有关相对论、黑洞和宇宙演化的知识，而且也收集了许多科学家的珍闻趣事，介绍了一些重大科学发现的曲折过程。
特别介绍了地球上文明的起源和进步和自然科学的诞生和发展，全书以哥白尼、伽利略、牛顿和爱因斯坦的贡献为主线，来描述自然科学的重大成就和重要思想；以霍金和彭罗斯的贡献为核心，来阐述当代的时空理论，介绍相对论研究的最新成果。
对这本书的学习，我觉得意义很大，不仅帮助我理顺了在科学发现的曲折历程中各位科学家之间的联系以及他们的伟大之处和作出的巨大贡献，而且帮助我更好的梳理了很多的科学及前言物理知识。
第一章文明的起源和脚步书中将文明的起源与脚步分为四部分来写：地球上文明的出现、海洋文明与大河文明、美洲文明、文明的繁荣。
星系红移的观测和分析方法
星系红移的观测和分析方法引言：星系红移是宇宙学中重要的观测现象之一，它揭示了宇宙膨胀的事实。
本文将介绍几种常用的观测和分析星系红移的方法，以帮助读者更好地理解和探索宇宙。
一、多普勒效应法观测星系红移多普勒效应是一种物理现象，它描述了由于物体相对于观察者的运动而产生的频率或波长的变化。
当一个天体远离地球时，它的光谱线会发生红移，频率降低；相反，当一个天体向地球靠近时，光谱线会发生蓝移，频率增加。
通过测量星系中物体的红移或蓝移，我们可以推断出它们的运动方向和速度。
二、哈勃定律与星系红移哈勃定律是描述宇宙膨胀的重要规律之一。
根据哈勃定律，远离地球的星系运动速度与距离成正比，这被称为哈勃常数。
我们可以利用哈勃定律来测量星系的红移和距离。
通过测量星系的红移，我们可以推算出它们的运动速度，再结合哈勃常数，就能计算出它们的距离。
这是一种重要的观测和分析星系红移的方法。
三、光谱分析法观测星系红移光谱分析是研究星系红移的另一种重要方法。
光谱可以将一个物体的光按波长进行分解，从而得到其特定的光谱线。
在星系中，我们可以通过观察物体的光谱线来测量它们的红移。
红移量可以通过相对于一些参考谱线的移动来计算。
例如，地球上的氢原子的谱线是已知的参考谱线之一，通过比较星系中氢原子的谱线和地球上的参考谱线，我们可以计算出星系的红移量。
四、背景辐射和星系红移之间的关系背景辐射是宇宙中普遍存在的微弱辐射，源于宇宙大爆炸产生的热能。
背景辐射的频谱呈黑体辐射分布，峰值位于微波波段。
通过测量背景辐射的频谱分布和星系的红移，我们可以研究宇宙的演化过程和星系的发展历史。
红移越高的星系对应于宇宙早期的形态，而红移较低的星系对应于宇宙较晚期的形态。
因此，背景辐射和星系红移之间的关系提供了宝贵的信息，帮助我们理解宇宙的起源和演化。
五、红移演化和星系形成的研究红移演化研究了星系随时间发生的红移变化。
通过观测大量的星系，并利用它们的红移信息，我们可以推断出宇宙中星系的形成和演化历史。
红移及蓝移的原因
红移及蓝移的原因古⽼的天⽂学是从不同天区的视亮度来估算遥远天体与我们的距离的，现在认识到它是⾮科学的。
从1917年发现河外星系的谱线有系统的向红端移动以来，光谱分析⼀直是推算遥远天体与我们的距离的基本⽅法。
天⽂学家认为：红移值[ Z =(λ-λ0 )/λ0 ] 随星体的距离增⼤⽽增⼤，星体的红移与距离存在着线性关系（△λ/λ∝R ），红移变成了星体距离的指⽰器。
1929年哈勃定理（ V = H R ）问世以来，红移被写成距离与哈勃常数的函数（ Z = H R / C ）。
（哈勃常数 H 已经多次更改，常数本⾝就不成⽴。
）此定理认为：红移量越⼤的星体背离地球的视向退⾏速度V 值越⼤，且与我们的距离 R 也越远。
哈勃定理是很难验证的主观推理，但，它却成了宇宙学的神圣⽀柱。
1938年艾夫思和史迪威在实验室证实运动光源存在多普勒频移：Z = [(C + V)／(C – V)]1/2－1 ，⼤爆炸论或宇宙膨胀学说便把红移解释为宇宙膨胀的代名词。
<o:p></o:p>从1963年以来，发现类星体的红移量都很⼤（有的超过3）。
按照哈勃定理，类星体距离我们达百亿光年甚⾄更远，它们辐射的能量相当于⼏百个或上千个⼤型星系，它们退离我们的速度接近或超过光速。
这些状态都是难于解释的，也是难于另⼈置信的。
⼈们开始对哈勃定理及红移理论提出怀疑。
1972年哈尔顿．C ．阿普找到了两个星系与我们的距离相同，但红移却相差较⼤的证据。
他公布了1971年的⼀组照⽚，可以从照⽚看到：星系NGC4319和类星体马卡良—205之间有⼀道明亮的物质“桥”联系着，但，它们的红移不同。
阿普认为：类星体的红移和它的速度、距离毫⽆关系，哈勃定理不成⽴。
红移理论及宇宙膨胀学说受到了有⼒的挑战。
那么，遥远星体及类星体光谱红移的原因怎么解释呢？这需要从光的电磁波本质及传播光的空间介质的电磁场量级及介质的运动去分析论证。
基本原因有三：1、介质电磁场的调制作⽤—介质耗能波长延长⼩宇宙、超星系、星系、星体等结构系统都有各⾃的电磁场层次，且是逐级包含的关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验七 河外星系距离测定的资料处理
一、实验目的
星系的谱线红移是现代宇宙学的基本观测事实，通过本实习对星系的谱线红移有直观的了解
二、实验原理
哈勃通过对大量河外星系的视向速度与距离关系的研究，得出哈勃定律，即距离越远的星系，其退行速度越大。
哈勃定理 v （r ）=H 0 D (式中D 为星系的距离； H 0为哈勃常数 H 0=50~100 km /s Mpc) 红移量 z =Δλ/λ0 (Δλ=λ－λ0；式中λ为天体谱线波长, λ0为实验室静止波长值) 天体的视向速度： v （r ）= ±cz (当 z << 1 时 ) (c 为光速) (1) 当天体的红移量接近1或大于1时要考虑相对论效应，
v(r) = c z z 1
)1(1)1(22++-+ (当 z ≈1 或z >1时 ) (2) 三. 实习步骤：
1． 图sh15.1按红移由小到大的次序给出了五个星系的光谱。
这些星系分别属于五个星系团的成员，它们是室女、大熊、北冕、牧夫、长蛇星系团。
光谱片上有三条光谱，中间的是星系光谱，星系光谱的上下是实验室拍得的比较光谱。
在比较光谱的谱线中最右边的谱线波长为λ=386.5nm ，中间一条强的谱线波长为λ
=447.1nm ，最左边的谱线波长为λ=501.5nm 。
垂直箭头指示的为Ca Ⅱ的H 、K 线位置（K ：393.68nm(右)、H ：396.849nm （左））水平箭头符号的长度表示了星系谱线的位移大小。
2. 利用计算机绘图软件将图放大，用内插法求出每个星系的谱线位移量Δx （用K 线和H 线分别求，然后取平均值）。
首先利用实验室光源的两条谱线波长和距离求出光谱的线色散：(λ0-λ)/Δx ,然后分别用计算机测出星系团的H 线或K 线的位移量（黄线）：Δx 1(H 线λ=396.8nm ）与Δx 2 (K 线λ=393.68nm)。
将测量值乘以线色散即可求出 Δλ 值。
3. 求出每个星系的红移量Z =0
0λλλ-=0λλ∆ 4. 求出每个星系团的红移速度v (r ) (km/s)，考虑z << 1 和z ≈1 或z >1两种情况。
5. 求出每个星系的距离(以Mpc 为单位)，并用求出的星系距离与图中所标距离进行比较, 估计误差的大小和产生原因。
图sh 15.1 五个星系的光谱图, 谱线有明显的红移。