宇宙如此浩瀚,人類是怎樣測量遙遠星體之間距離的呢?
在生活中,我們可以用尺子測量物體的長度,而對於地月距離的測量,我們可以利用激光測距。然而,在宇宙學的尺度上,動輒以幾十甚至上百萬光年為單位,即使是光也要經歷十分漫長的時間才能到達。所以,天文學家只能用一些間接的方法來測量遙遠天體的距離。
試想在夜晚,如果遠處放了一支蠟燭,你會覺得非常昏暗。倘若把蠟燭移動到眼前,便會覺得十分明亮了。蠟燭本身發出的光的強度沒有變化,只是由於距離的改變,使得你的眼睛看到的亮度發生了變化。也就是說,亮度和距離存在一種關係,如果我們知道了蠟燭本身的亮度,並測量我們看到的亮度,就可以推算出蠟燭離我們有多遠。
在天文學中,我們把恆星自身的發光本領稱為光度或絕對星等,光經過傳播到達地球時,我們看到的恆星亮度稱為視星等。
1784年,天文學家在觀測仙王座δ星(中文名“造父一”)時,發現它的光度有周期性變化,這個周期約5.4天(即光變周期),非常穩定。後來,科學家又陸續發現了很多類似的恆星,這類恆星就是“造父變星”。然而受當時科學水平限制,科學家們並沒有得出更有價值的結論。
對造父變星的研究經歷了很長時間。在1908-1912年期間,美國天文學家H.Leavitt在研究造父變星時發現,光變周期越長的造父變星,其光度也越大,也就是說,周期和光度之間有著某種數量關係,即周光關係(周期-光度關係)。
這為我們測量宇宙中天體的距離提供了一種新思路:我們很容易測量造父變星的光變周期和視星等,知道了周期,就能得到絕對星等,通過絕對星等和視星等之間的關係,就可以得到距離。
這樣看來,造父變星就是我們在宇宙中測量距離的天然蠟燭!它可以作為測量天體之間距離的“尺子”。