天文地理|宇宙的距离阶梯：我们是如何测量浩瀚宇宙的大小( 三 )
这只是其中的一个案例 ， 表明宇宙中天体距离的测定 ， 即便是在今天 ， 仍然是多么令人感到棘手 。 我们可以做一些相对靠谱的估算 ， 但要想精确计算宇宙中星系之间的距离其实是一件极其困难的事情 。 宇宙实在太大了 ， 它并不会止步于此 。
哈勃同时也对一类白矮星爆发——即所谓Ia型超新星的亮度进行了测定 。 这些天体的亮度极高 ， 能够在极其遥远的距离上被观测到 ， 尺度可以延伸数十亿光年之遥 。
由于这类特殊超新星爆发的亮度已经能够从理论上进行计算 ， 天体物理学家们断定所有的Ia型超新星的亮度都是基本相同的 。 这样一来 ， 就像造父变星一样 ， 我们只要观察它们的亮度便可以直接得到它们的距离数值了 。 也因为以上的原因 ， Ia型超新星和造父变星两者都被天文学家们亲切地称作宇宙中的“标准烛光” 。
但在宇宙中 ， 还有一种非常特殊的工具 ， 能够帮助我们对极端遥远的天体进行测距 ， 这种工具就是红移 。
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宇宙距离阶梯五：红移
在日常生活中你或许有过这样的经验：当一辆救护车或者警车从你面前驶过时 ， 当车向你的位置驶来时 ， 你会发现警报声越来越尖锐 ， 而当车逐渐远去时 ， 警报声调也 就随之逐渐降低了 。 这一现象的背后其实是一种物理原理 ， 被称作“多普勒效应”——当车辆向你靠近时 ， 声波被压缩 ， 频率增高 ， 声音变得尖锐；反之声波波长被 拉升 ， 声调降低 。
对于光波 ， 情况也是类似的 ， 只是尺度要精细的多 。 我么可以通过对遥远天体光线的光谱分析检测这种效应 。 恒星光谱中会有一些暗线 ， 这是光源发出的光线中由于某些类型的元素被吸收而产生的吸收线 。
观测显示 ， 所有的星系都在远离我们 ， 并且距离我们越遥远的星系远离的速度越快 ， 这就是著名的哈勃定律 ， 它背后的本质是宇宙的膨胀 。 和上面警报声的情况相似 ，星系远离我们的速度越快 ， 其波长的拉升程度越明显 ， 在光谱中的表现便偏向红端 ， 被称作红移 。 那么基于哈勃定律 ， 可以发现 ， 星系距离我们越远 ， 它们光谱中表 现出的红移量也会越大 。 因此反过来 ， 对遥远星系光谱红移的观测也为宇宙膨胀理论提供了坚实的观测证据 。
美国宇航局项目科学家卡迪克·赛斯（Kartik Sheth） 说：“这就像在一个气球表面画上很多的点——每一个点都代表一个星系 ， 然后把气球吹气 ， 你会发现所有点之间的相互距离都在增大 。 这和宇宙中的情况有些相 似 ， 随着宇宙的膨胀 ， 每一个星系都在互相远离 。 ”他说：“基本上 ， 从天体发出的电磁波的波长是不会改变的 ， 但由于时空本身的膨胀 ， 电磁波的波长被拉伸 了 。 ”
星系的退行速度越高 ， 它们距离我们就越远 ， 它们的光谱红移特征就越明显 。 正是埃德温·哈勃对遥远星系中的造父变星进行观察 ， 并将其观测结果与这些恒星的光谱红移值之间建立关联 。
现在 ， 我们抵达了一个关键环节 。 我们接收到红移最大的电磁波信号显示其来自138亿光年之外 。 换句话说 ， 这是我们能够观察到的最古老的光线 ， 这也在一定程度上向我们透露了宇宙本身的年龄 。
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【天文地理|宇宙的距离阶梯：我们是如何测量浩瀚宇宙的大小】生活中警车和救护车的警笛声是我们对于声波多普勒效应的最直接感受 。
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