第6章 星係天文學之父哈勃(2)(2 / 3)

然而,有趣的是,盡管學者們對哈勃時間1H的含義各持己見、爭論不休,但哈勃本人對此從不發表任何高見,他也從未表示過1H就是宇宙年齡。

還需指出,上麵算出的宇宙年齡20億年顯然太小,它甚至比太陽係年齡和地球年齡都小得多,這使許多人感到奇怪。後來人們發現,哈勃所取的H值偏大,經過許多學者的長期測定,H值現已縮小到約50千米/(秒·百萬秒差距),即已縮小到哈勃當初測定的值的十分之一。於是,哈勃時間從20億年增加到200億年。許多人認為,把此值視為宇宙年齡也許更為合理。

從哈勃定律還引出了一個重要物理量。按照相對論,任何物體的運動速度不可能超過光速,故哈勃定律中星係退行速度V的上限為光速C,此時的距離D被稱為哈勃距離DH,從哈勃定律V=HD不難看出DH=1H·C,即它是哈勃時間1/H與光速的相乘積。當H取為50千米/(秒·百萬秒差距)時,哈勃距離DH約等於200億光年。它的物理意義是,觀測者所能見到的宇宙盡頭,此處的星係在以光速遠離我們。與哈勃時間1H相類似,盡管哈勃距離這一物理量在現代宇宙學中至關重要,但哈勃本人同樣對它緘口不語。

河外星係的空間分布

20世紀30年代,哈勃致力於河外星係空間分布的研究,在這方麵的工作成果被認為是他對星係天文學所作出的第四項重要貢獻。

在天文學中,以銀道(穿過銀河中間的天球上的大圓)為基本大圓、南北銀極(天球上與銀道角距離處處等於90°的兩點)為基本點的天球坐標係稱為銀道坐標係。在此坐標係中,南北銀極與銀道上不同點連成的天球大圓構成了銀經圈,在同一銀經圈上銀經均相同;從銀道向南北銀極兩個方向量度的角距離稱銀緯,向北銀極方向量度的銀緯取為正,向南銀極方向量度的銀緯取為負,與銀道大圓平行的許多小圓構成銀緯圈,同一銀緯圈上的銀緯值相同。銀道坐標係的這種定義方法和地球上地理經緯度的定義方法相當類似,所以實際上並不難理解。

哈勃以銀道坐標係為依據,研究了河外星係在天球不同方向上的視分布。1937年,他在他出版的《星雲王國》一書中給出了一幅十分有名的河外星係分布圖。圖的中間欄腰一分為二的橫線0°—0°代表銀道,銀道下端0°,30°,60°…330°的刻度代表銀經;銀道上下兩側與銀經圈相交的橫線分別表示+30°,+60°,-30°,-60°等不同銀緯的銀緯圈。圖中的小黑點表示星係分布具有正常數目,大黑點表示星係分布超過正常數目,且黑點越大、越集中表示超過越多,空圓圈表示星係分布不足,短橫線表示那些地方未發現星係,銀道附近兩支曲折線表示銀河所在的範圍,圖內左右兩側特別是南銀緯左右兩側有較多的空白部分,這是哈勃所在的威爾遜山天文台無法觀測到的南天區域,那些地方的星係分布未作統計。在此圖中,銀河內和銀道兩旁根本看不到星係,這被稱為哈勃隱帶,在這之外的低銀緯地區空圓圈甚多,這是星係分布嚴重不足的地區,而高銀緯地區星係的分布則明顯超過正常數字。

河外星係在天球不同方向上的這種視分布可作如下解釋:河外星係在天球不同方向上的分布實際上是相當均勻的,但由於我們在銀河係之內去觀測它們,視線必需先穿過銀河係,銀道兩側不僅有大量暗星,而且有很多星際消光物質,它們擋住了我們的視線,使我們無法看到河外星係,從而造成了天文學上所稱的“哈勃隱帶”。隨著銀緯的增大,星際消光物質減少,高銀緯天區星際消光物質已微乎其微,因而河外星係隨銀緯的增加而增多。

除了研究河外星係在天球不同方向上的視分布外,研究河外星係空間分布的另一課題是探討它們隨距離分布的方式。哈勃利用威爾遜山天文台口徑2.54米的胡克望遠鏡開展了一項宏大的觀測計劃。1934年他在《天體物理學報》上發表了長篇論文“河外星雲的分布”,該文可看成是他這方麵研究工作的代表作。他的基本結論是,從統計平均的角度看,河外星係在不同距離上的分布是均勻的,因此它應被看成是大尺度空間中物質分布的基本單元。他還試圖通過測定暗至一定星等的河外星係的計數,來探討空間曲率問題,但由於涉及的因素十分複雜而未能獲得明確的結論。

碩果累累

除上文專門論述四個方麵的傑出貢獻外,哈勃在天文學上還有許多其他貢獻,例如:

(1)闡明了發射星雲和反射星雲的根本區別。在哈勃之前,已發現銀河係內由氣體、塵埃物質構成的彌漫星雲,有的其光譜是暗黑背景上的發射線光譜,有的其光譜則是七色彩帶背景上的吸收線光譜。具有這兩種不同光譜的星雲分別被稱為發射星雲和反射星雲。1922年,哈勃發表了論文“彌漫銀河星雲的一般研究”,正確地指出,之所以產生這兩種星雲是由於其中存在著光譜型不同的照亮星,發射星雲中有光譜型為O、B0、B1型的表麵溫度很高的恒星,而反射星雲中隻有表麵溫度轉低的光譜型為B2直至M型的恒星。本世紀30年代末,丹麥天文學家斯特龍根提出了高溫恒星使星雲中的氫電離形成發射星雲的理論,進一步解釋了這個問題。至於反射星雲,因其中的低溫恒星不足以激發星雲中的氫電離,產生發射光譜,星雲隻是簡單地反射該恒星的光,所以其光譜隻是該恒星光譜(七色彩帶背景上的吸收線光譜)的簡單複製。