(温馨提示:本文个字,阅读完需要约25分钟)对于绝大多数对大自然存在好奇心的人来说,深邃的宇宙代表着终极的奥秘。宇宙的本质是什么?长期以来,人们以为天空/宇宙是永恒不变的舞台背景,满天繁星是舞台上的演员。然而,从年到年,斯里弗(VestoMelvinSlipher)、勒维特(HenriettaSwanLeavitt)、爱因斯坦(AlbertEinstein)、弗里德曼(АлександрФридман)、勒梅特(GeorgesLema?tre)、埃德温·哈勃(EdwinHubble)等伟大的科学家的一系列理论与观测工作揭示出一个惊人的结论:宇宙自身在膨胀。在得到宇宙膨胀的结论的过程中,一种名为“造父变星”的恒星起到了至关重要的作用。造父变星的原型星是仙王座(Cepheus)δ星的主星,在中国古代被称为“造父一”。年,古德利克(JohnGoodricke)发现了它的亮度存在周期性的变化。此后,性质与这颗恒星类似的恒星都被称为“Cepheid”,中文称之为“造父变星”。年,又有两个国际合作小组证明:宇宙不仅在膨胀,还在宇宙诞生几十亿年后开始进入加速膨胀的阶段,至今还在加速膨胀。哈勃(望远镜)在这个重大发现中,起到了关键的作用。近些年,哈勃对造父变星的观测又给出了一些新的挑战:根据造父变星的距离与红移得到的“哈勃常数”与根据其他方法得到的哈勃常数不同,这可能预示着当前流行的理论需要进一步被探讨甚至被修正。
造父变星、膨胀宇宙与哈勃常数
年,哈佛大学天文台的天文学家勒维特在研究了大、小麦哲伦云星系中的颗变星后发布了一篇相应的论文,并在年的论文中挑选出其中的25颗造父变星,发表了一篇相应的论文。这篇仅3页的论文深刻地改变了此后至今一百多年的天文学、宇宙学与物理学的发展进程,可以被视为人类历史上最重要的几篇论文之一。在这篇论文中,勒维特告诉人们:造父变星最亮/最暗时的亮度越大,其变化周期越大,二者取对数后存在一个简单的一次函数关系,在二维坐标图中构成一条直线段。后人先是长期将这个关系称为“周期-光度关系”,简称为“周光关系”。最近一些年来,为了纪念勒维特,又有人将这个关系同时称为“勒维特关系”。图:勒维特在她年的论文中给出的小麦哲伦云星系中的25颗造父变星的最亮时(上方线)与最暗时的亮度(下方线)与亮度变化周期之间的关系。图中横坐标为时间取对数,比如0、1、2代表10的0、1、2次方,分别为1天、10天与天。纵坐标表示观测到的亮度的对数,即星等。由图中可见,横轴与纵轴之间满足简单的一次函数关系(勒维特关系/周光关系)。Credit:Leavitt,H.S.