宇宙如此浩瀚,人类是怎样测量遥远星体之间距离的呢?
在生活中,我们可以用尺子测量物体的长度,而对于地月距离的测量,我们可以利用激光测距。然而,在宇宙学的尺度上,动辄以几十甚至上百万光年为单位,即使是光也要经历十分漫长的时间才能到达。所以,天文学家只能用一些间接的方法来测量遥远天体的距离。
试想在夜晚,如果远处放了一支蜡烛,你会觉得非常昏暗。倘若把蜡烛移动到眼前,便会觉得十分明亮了。蜡烛本身发出的光的强度没有变化,只是由于距离的改变,使得你的眼睛看到的亮度发生了变化。也就是说,亮度和距离存在一种关系,如果我们知道了蜡烛本身的亮度,并测量我们看到的亮度,就可以推算出蜡烛离我们有多远。
在天文学中,我们把恒星自身的发光本领称为光度或绝对星等,光经过传播到达地球时,我们看到的恒星亮度称为视星等。
1784年,天文学家在观测仙王座δ星(中文名“造父一”)时,发现它的光度有周期性变化,这个周期约5.4天(即光变周期),非常稳定。后来,科学家又陆续发现了很多类似的恒星,这类恒星就是“造父变星”。然而受当时科学水平限制,科学家们并没有得出更有价值的结论。
对造父变星的研究经历了很长时间。在1908-1912年期间,美国天文学家H.Leavitt在研究造父变星时发现,光变周期越长的造父变星,其光度也越大,也就是说,周期和光度之间有着某种数量关系,即周光关系(周期-光度关系)。
这为我们测量宇宙中天体的距离提供了一种新思路:我们很容易测量造父变星的光变周期和视星等,知道了周期,就能得到绝对星等,通过绝对星等和视星等之间的关系,就可以得到距离。
这样看来,造父变星就是我们在宇宙中测量距离的天然蜡烛!它可以作为测量天体之间距离的“尺子”。