測量遙遠星團的距離

原標題：測量遙遠星團的距離

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天文學家通過哈勃望遠鏡第一次準確地測出了宇宙中最古老的其中一個天體到我們的距離——這是一個在宇宙形成後剛不久誕生的球狀星團。

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測量球狀星團的年齡

通過哈勃望遠鏡的測量方法，這個精密的新「標尺」為我們提供了一個測量宇宙年齡的獨立方法。同時，這個方法也能幫助天文學家再改進關於恆星進化的模型。在恆星模型中，（球狀）星團是一個至關重要的組成部分，因為它其中的恆星距離相近年齡相仿且化學組成相似，所以它們構成了一個成分比較單一的恆星族群，便於我們研究。

NGC 6397這個古老的恆星珠寶盒中有著數以百萬計的恆星。

圖片來源: NASA, ESA, and T. Brown and S. Casertano (STScI) ; Acknowledgement: NASA, ESA, and J. Anderson (STScI)

圖中的球狀星團編號為NGC6397，它是這種星團中較為接近地球的其中一個。這種新的測量方式測出了這個星團到我們的距離大約7800光年遠，誤差範圍在3%以下。

在此之前天文學家測量球狀星團距離主要通過把星團中恆星觀測到的光度和顏色與理論模型以及我們的恆星鄰居中和它們類型相似的恆星相比較。然而這種測量方法並不十分準確，它的誤差範圍在10%到20%間徘徊。

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三角視差測量

這種測量方法的原理是三角視差法，和古代的航海家們所用的方法一樣，而它的歷史可以追溯到古希臘時代的科學。三角視差法是一種利用不同視點對同一物體的視差來測定距離的方法。對同一個物體，分別在兩個點上進行觀測，兩條視線與兩個點之間的連線可以形成一個等腰三角形，根據這個三角形頂角的大小，就可以知道這個三角形的高，也就是物體距觀察者的距離。

如圖，由於地球公轉的緣故，所觀測的物體會在恆星背景上有微小的位移

利用這種觀測技術去測量天空中極為細小的角度，天文學家們得以將哈勃望遠鏡這一「標尺」延伸到銀河系外去。

研究團隊用此計算了一下NGC 6397的年齡，它大約有134億年。「這個球狀星團太古老了，以至於如果我們推算它的年齡時出現了一點點偏差，它就要比宇宙年齡更大了。」在空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute, STScI）帶領此項研究的湯姆·布朗說。

布朗說，「這些臨近的星團就像用來定位的錨一樣，幫助我們理解更遠的星團。到目前為止，我們只對銀河系內的星團有準確的觀測數據，因為它們離地球十分接近。

與此相比，大約有150個球狀星團在繞銀河系較外層的軌道盤面旋轉，而這些球形緻密的恆星群落是銀河系最初的第一批主人。

哈勃的觀測團隊用三角視差法來縮小星團距離的範圍。這種技術通過測量了地球上觀測天體在背景天空中由於地球的公轉引起的微小移動，從而得到距離——哈勃望遠鏡測量了星團們這一微小的擺動。

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造父變星測距法

在上述測量的基礎上，為了得到NGC 6397的精確距離，布朗的團隊使用了一個很機智的方法，也就是造父變星測距法。

造父變星光度、大小隨時間變化

圖片來源：Wafflegif

這個方法是獲諾貝爾獎的天文學家亞當·里斯和STScl和約翰霍普金斯大學的斯蒂凡諾·卡塞爾塔諾發明的，它利用了變星準確的亮度變化時間來計算宇宙膨脹的速度——造父變星的絕對光度和它的光變周期成正比。所以測得周期之後就可以知道其絕對星等，從而得知其距我們的距離。

哈勃拍到的仙女星系內的造父變星

圖片來源：NASA/ Hubble

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空間掃描

使用一項名為「空間掃描」的技術，哈勃望遠鏡的第三代廣域照相機記錄下了NGC 6397中40顆恆星在連續兩年中每隔6個月的視差。然後研究人員把這些數據整合起來，從而得到這個星團距我們準確的距離。「因為我們觀測了不只一顆恆星的數據，所以這樣比只觀測一顆造夫變星得到的數據更準確。」卡塞爾塔諾介紹道。

哈勃望遠鏡第三代廣域照相機Wild Field Camera 3的視野

圖片來源：NASA/Hubble

這些星團中恆星的擺動在相機上看只有1/100個像素大小，而哈勃望遠鏡相機的精度有1/3000分之一，這就像是對於遠在月球上的一個汽車輪胎的觀測精度達到了一英寸。

研究人員們說，如果能夠再結合哈勃望遠鏡以及歐空局的蓋亞空間望遠鏡對NGC 6397的觀測數據，他們可以將觀測精度提升至1%。蓋亞空間望遠鏡是歐洲航天局（ESA）的一個空間望遠鏡，它的任務是觀測銀河系中恆星位置和運動並且繪製出迄今為止最精確的銀河系三維地圖。

原文鏈接：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/hubble-makes-precise-distance-measurement-to-ancient-globular-cluster

作者：Karl Hille

翻譯：王晴

校對：劉濱陽

編排：王晴

——宇宙從無到有發展的全過程

圖片來源：Pinterest

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