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光譜中的密碼---(星星有多遠之三)
2006/06/25 00:53
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上圖是太陽在可見光波段的光譜,它是陽光通過一部基本原理和三稜鏡很相似的儀器後所產生的。

光譜原來應該是一長條的,為了閱讀和使用上的方便,把它折成二維的圖形。所以,光譜中上一行的左端和下一行的右端是銜接的。

在這張光譜裡,可以看到七彩的太陽光譜中有許多黑色的暗線 Absorption Lines。這些暗線,是因為太陽表面和它上方的氣體吸收掉部份來自太陽內部的光線。因為不同的元素會吸收不同顏色的光,呈現出固定型態的暗紋,就像人的指紋一樣,所以從這些暗線,就可以知道太陽表面的氣體組成。

科學家在研究恆星的組成元素時,意外發現有些光譜中的暗線有紅移 redshift 的現象。也就是,暗線有向右方(紅方)偏移的現象。

大家也許還記得中學物理課教過的都普勒效應 Doppler Effect:一個發射波的來源,如果往觀測者移動的話,所測得的波長會變短;如果發射波源遠離觀測者,那麼所測得的波長就會變長。速度越高,波長改變的程度越大。

實際的例子是,火車迎面而來的時候,汽笛聲會變得比較尖銳;火車離我們而去的時候,汽笛聲就會變得比較低沉。

實際的應用則是警察伯伯的測速器。它向來車發射出一束雷達波,當雷達波反射回來的時候,如果波長變短超過一定程度,就是超速了。下回你在高速公路上被抓到超速,就只好怪都普勒爺爺囉!

這個現象適用於任何波。在光波的場合,因為藍色光波較短,紅色光波較長。所以波長變短叫作藍移,波長變長就叫作紅移。

美國天文學家哈伯 Edwin Hubble 利用造父變星作「標準燭光」,發現了越遙遠的星體,它的紅移就越大。換句話說,越遠的星體,以越高的速度遠離我們而去。而且不管宇宙中的那個方向都是這樣。

1929年,哈伯發表了這個研究成果,天文學界稱之為哈伯定律 Hubble's Law。這個定律告訴我們,宇宙正在膨脹,這是二十世紀天文學最重要的發現之一。

為了紀念他的貢獻,由歐洲太空總署 ESA 和美國太空總署 NASA 合作的太空望遠鏡,就以他的名字來命名,謂之哈伯望遠鏡 Hubble Space Telescope。「琉璃帳」這個部落格中貼出的美麗照片,有許多都是哈伯望遠鏡拍攝的。

由於確定了紅移越大距離越遠,因此紅移就成了一種新的測距方法,特別適合用在測量極遠方的星體,例如星系和星系團。

(待續)


下圖是一個示意圖,顯示在 10 億光年外的超星系團的光譜,和太陽光譜比較下的紅移現象。說明文字中,v是視向速度,也就是由紅移程度換算過來的星體遠離我們的速度;c是光速;d是距離。

v=0.07c,這就是說,這個超星系團正以光速的 7% 的速度遠離我們而去。從哈伯定律,我們就可以算出,這個超星系團的距離大約是 10 億光年。 

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