周源拿起第三個報告閱讀,星係標定方法,主要作者:科學院天文學家萊爾和科學院物理學家文明。

整個報告分為三大部分。第一部分回溯宇宙大小、星係距離是如何測量的,第二部分介紹新理論模型和測量方法,第三部分建議總結等。

第一部分是總結以前測量方法。

除了利用紅移效應(多普勒效應)對極端遙遠的天體進行測距外,還有一些方法。

射電望遠鏡測量:比如一個恒星係內,行星到衛星、行星到行星的距離,直接向近距離的行星或衛星表麵發射無線電波並接收反射信號,比如金星和火星,並測量信號往返所需要的時間,這可以給出非常精確的距離數值。但使用射電望遠鏡測量太陽係之外天體的距離,則顯得有些不切實際了。

三角視差法:在一年中的某個時間,測試者用望遠鏡測定一顆恒星在天空中的位置,比如說在1月份進行這樣的測定。然後等上幾個月(一般半年)的時間,隨後在7月份對同一顆恒星進行同樣的測定,此時測試者正處於地球軌道上太陽的另一側。當測試者在冬天和夏天觀察恒星時,就能夠利用它們相對於遙遠宇宙背景上的位置變化來測算其距離。然而,這一方法也有其自身的局限性,那就是當恒星的距離太過遙遠——大約100光年以外,此時這些恒星所顯示出的視差值就太小了,無法進行有意義的計算。

中子星回聲:中子星釋放出巨大的X射線爆發,它產生的回聲——當X射線從星際空間裏的塵埃雲裏反射時就會產生回聲——為天文學家產生了令人驚訝的新計量尺。天文學裏的距離測量非常困難,尤其是類似CircinusX-1的源,後者隱藏在厚厚一層塵埃背後的銀麵上,這使得利用光學望遠鏡觀測它們幾乎不可能。人類首次利用阻礙視線的塵埃,來創造估計與X射線源距離的新方法。當X射線遇到星際空間裏的塵埃顆粒就會發生偏離,如果塵埃雲足夠密集,它們導致部分X射線從原始路徑上散射開來,進入三角形的新路徑,而非直線路徑,這樣它們到達地球的時間,比那些未被散射的X射線到達地球的時間要更長。

主序擬合法:這一方法背後的基本前提是,人們認為那些質量相似、年齡相仿的恒星,如果它們的距離相同,那麽它們的亮度也應該是一樣的。但事實是,這些恒星看上去都是不一樣亮的,這也就意味著它們的距離遠近不同。有一件事是肯定的,那就是隨著時間推移,這些恒星的顏色會逐漸變得更紅。通過對這些恒星顏色和亮度的精確測定,並將這些恒星與那些距離較近、已經運用視差方法測定過距離的主序星進行對比,通過這種方法,能夠大大延伸宇宙測量標尺,從而得以估算遙遠的多的恒星的距離。

造父變星和宇宙標準燭光:概括的說,就是造父變星的光變周期與其光度之間存在關聯,且其光變周期越長,光度越大。換句話說,相比那些較為暗弱的造父變星,那些明亮的造父變星“脈動”的周期更長(一般光變周期可以長達數天)。因為天文學家們可以相對容易地測定光變周期

,這樣他們也就能夠得到這顆恒星的真實亮度數據。於是,反過來,隻要觀察一顆造父變星的亮度,就能夠計算出它們的實際距離。天體物理學家們斷定所有的Ia型超新星的亮度都是基本相同的。這樣一來,就像造父變星一樣,隻要觀察它們的亮度,便可以直接得到它們的距離數值了。也因為以上的原因,Ia型超新星和造父變星,都被天文學家們親切地稱作宇宙中的“標準燭光”。

第二部分介紹新理論模型和測量方法。

以前所有測量方法是基於宇宙膨脹和光速不變這兩個鐵律。如今,事實上,根據文明院士的光速四定律及其推論,由於宇宙本征光速下降,宇宙空間存在多個光速位麵空間以及不同光速位麵的“過濾截頻”效應,所以需要提出一種新理論和測量方法。

首先我們提出一個宇宙光速位麵的靜態模型,想象一下。

一個非常巨大的空心玻璃球A(裏麵介質是空氣),A裏麵有一個巨大的空心玻璃球B(裏麵介質是水)和很多很多螢火蟲(在A內,在B外),B裏麵有一個大的空心玻璃球C(裏麵介質是汽油)和許多螢火蟲(在B內,在C外),C裏麵有一個大的空心玻璃球D(裏麵介質是柴油)和不少螢火蟲(在C內,在D外),D裏麵有一個小的實心玻璃球E和少量螢火蟲(在D內,在E外),E球裏麵被困了一種螢火蟲,動不了。

抽象一下,假如ABCD空心玻璃球和E實心球的球麵是無形無質的,相當於光速位麵。每個玻璃球界麵附近都有一個真空域,沒有任何介質。現在進行動態建模。

所有的空心玻璃球ABCD都在向外膨脹且都在運動著(假設各個球裏麵介質也是滿的),E球沒有膨脹,但也在向D球麵運動。除了E內被困的螢火蟲,所有的螢火蟲,都向自己所在的球麵方向以玻璃球膨脹速度運動著。那麽,E球裏麵被困的這隻螢火蟲怎麽知道其它各個同伴的距離?這個同伴最近的就是位於D球內的,最遠就是位於A球內的。

由於宇宙本征光速是在單調下降,所以實際上各個空心玻璃球向外膨脹和螢火蟲同伴向各自球麵的快速運動都是做減速運動。

這就是我們突破“光速壁壘”後所要麵臨的問題,由於各個球內介質不一樣,所以光速傳播速度不一樣,從A球到E球,光速是依次逐漸減速的(因為裏麵介質密度逐漸增大),在E球內那個被困的螢火蟲看來,所有的螢火蟲同伴都在遠離自己。

這個模型隻是一種形象的比喻。下麵進行螢火蟲同伴定位和距離判斷。

E球內被困的螢火蟲首先需要做出下麵幾個步驟:

將E球打碎,突破實心玻璃屏障,和D球內的同伴處於同一個光速區域。在D球區域內,D球內光速是不變,第一部分介紹的、傳統的星係測量方法都適用;

根據光速四定律的倒數第二個推論,即對於處於同一個光速位麵區域的物體,速度的合成遵守相對論的速度合成法則,而對於不同光速位麵區域的物體,速度的合成遵守經典力學的法則。

對於一個玻璃球,如果這個玻璃球本身以一定的速度運動,則一般求運動玻璃球光速的方法是先建立一個隨動參考係,其中的光速是玻璃球靜止時的光速,然後通過參考係變換得到運動玻璃球的光速;或者可以直接用相對論速度疊加公式去求運動玻璃球的光速。

對於玻璃球1:

設v1是玻璃球:靜止時玻璃球內的光速,u1是玻璃球擴張的運動速度,v1’是玻璃球運動時玻璃球內的光速,c1是玻璃球界麵真空域光速,這個真空域光速是更大玻璃球的光經過光速位麵“濾光截頻”效應後的光速,也就是壁壘光速或位麵光速。則相對論速度疊加

V1’=(v1+u1)/(1+v1*u1/c1^2)

對於與玻璃球1相鄰的玻璃球2,同樣有相對論速度疊加

V2’=(v2+u2)/(1+v2*u2/c2^2)

這樣,對於玻璃球1內觀察者來說,玻璃球2內的速度,速度的合成遵守經典力學的法則

V=V1’+V2’

第三部分是建議總結,大致是:

在一個玻璃球內,如果有人造黑洞,就相當於在這個玻璃球內修了一個直通管子,管子裏是一條汽車公路,螢火蟲可以開車從玻璃球內一點快速移動到另一點,可以通過這個管子快速到達球內的同伴附近。

如果黑洞的密度波很大,天然黑洞(比如銀河係黑洞),很有可能是不同位麵空間之間的超距離通道,就像玻璃球之間通了高速公路一樣,可以快速到達遙遠的河外星係。

人類突破太陽係光速壁壘後,先測定當前空間域的光速,然後根據以前經典測量方法標定附近恒星和星係位置。對於稍遠些的,那些紅移現象比較大的星體,運用相對論速度疊加和經典力學速度合成方法確定,重新作標定,對於更遙遠的星體,隻能通過超光速航行到達附近位麵空間再去逐漸標定。

為了以後星際航行記錄和使用方便,建議以目前太陽係壁壘光速c0,也就是常說的約數30萬公裏/秒作為以後描述光速的基本單位。而星係坐標運用以下形式:

星標(Ω,n,m,c),Ω是位麵空間(或前麵所說的光速位麵區域)編號,n是這個星係在這個位麵空間的編號,m是這個恒星在這個星係的編號,c是該位麵空間的光速大小。

當然,恒星種類很多,比如黃矮星、白矮星、超巨星等,不在星標裏體現。星標與星標之間的關聯,比如距離、方位等,通過上文所描述的重新標定的方法去確定。

比如星標(101,/,/,10c0)表示101號位麵空間,位麵空間光速是300萬公裏/秒。

比如星標(101,22,/,10c0)表示101號位麵空間,編號22號星係,位麵空間光速是300萬公裏/秒。

比如星標(101,22,1800,10c0)表示101號位麵空間域,編號22號星係,編號1800號恒星,位麵空間光速是300萬公裏/秒。

(本章完)