测量宇宙中遥远星团的距离

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天文学家通过哈勃望远镜第一次准确地测出了宇宙中最古老的其中一个天体到我们的距离——这是一个在宇宙形成后刚不久诞生的球状星团。

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测量球状星团的年龄

通过哈勃望远镜的测量方法，这个精密的新“标尺”为我们提供了一个测量宇宙年龄的独立方法。同时，这个方法也能帮助天文学家再改进关于恒星进化的模型。在恒星模型中，（球状）星团是一个至关重要的组成部分，因为它其中的恒星距离相近年龄相仿且化学组成相似，所以它们构成了一个成分比较单一的恒星族群，便于我们研究。

NGC 6397这个古老的恒星珠宝盒中有着数以百万计的恒星。

图片来源: NASA, ESA, and T. Brown and S. Casertano (STScI) ; Acknowledgement: NASA, ESA, and J. Anderson (STScI)

图中的球状星团编号为NGC6397，它是这种星团中较为接近地球的其中一个。这种新的测量方式测出了这个星团到我们的距离大约7800光年远，误差范围在3%以下。

在此之前天文学家测量球状星团距离主要通过把星团中恒星观测到的光度和颜色与理论模型以及我们的恒星邻居中和它们类型相似的恒星相比较。然而这种测量方法并不十分准确，它的误差范围在10%到20%间徘徊。

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三角视差测量

这种测量方法的原理是三角视差法，和古代的航海家们所用的方法一样，而它的历史可以追溯到古希腊时代的科学。三角视差法是一种利用不同视点对同一物体的视差来测定距离的方法。对同一个物体，分别在两个点上进行观测，两条视线与两个点之间的连线可以形成一个等腰三角形，根据这个三角形顶角的大小，就可以知道这个三角形的高，也就是物体距观察者的距离。

如图，由于地球公转的缘故，所观测的物体会在恒星背景上有微小的位移

利用这种观测技术去测量天空中极为细小的角度，天文学家们得以将哈勃望远镜这一“标尺”延伸到银河系外去。

研究团队用此计算了一下NGC 6397的年龄，它大约有134亿年。“这个球状星团太古老了，以至于如果我们推算它的年龄时出现了一点点偏差，它就要比宇宙年龄更大了。”在空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute, STScI）带领此项研究的汤姆·布朗说。

布朗说，“这些临近的星团就像用来定位的锚一样，帮助我们理解更远的星团。到目前为止，我们只对银河系内的星团有准确的观测数据，因为它们离地球十分接近。

与此相比，大约有150个球状星团在绕银河系较外层的轨道盘面旋转，而这些球形致密的恒星群落是银河系最初的第一批主人。

哈勃的观测团队用三角视差法来缩小星团距离的范围。这种技术通过测量了地球上观测天体在背景天空中由于地球的公转引起的微小移动，从而得到距离——哈勃望远镜测量了星团们这一微小的摆动。

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造父变星测距法

在上述测量的基础上，为了得到NGC 6397的精确距离，布朗的团队使用了一个很机智的方法，也就是造父变星测距法。

造父变星光度、大小随时间变化

图片来源：Wafflegif

这个方法是获诺贝尔奖的天文学家亚当·里斯和STScl和约翰霍普金斯大学的斯蒂凡诺·卡塞尔塔诺发明的，它利用了变星准确的亮度变化时间来计算宇宙膨胀的速度——造父变星的绝对光度和它的光变周期成正比。所以测得周期之后就可以知道其绝对星等，从而得知其距我们的距离。

哈勃拍到的仙女星系内的造父变星

图片来源：NASA/ Hubble

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空间扫描

使用一项名为“空间扫描”的技术，哈勃望远镜的第三代广域照相机记录下了NGC 6397中40颗恒星在连续两年中每隔6个月的视差。然后研究人员把这些数据整合起来，从而得到这个星团距我们准确的距离。“因为我们观测了不只一颗恒星的数据，所以这样比只观测一颗造夫变星得到的数据更准确。”卡塞尔塔诺介绍道。

哈勃望远镜第三代广域照相机Wild Field Camera 3的视野

图片来源：NASA/Hubble

这些星团中恒星的摆动在相机上看只有1/100个像素大小，而哈勃望远镜相机的精度有1/3000分之一，这就像是对于远在月球上的一个汽车轮胎的观测精度达到了一英寸。

研究人员们说，如果能够再结合哈勃望远镜以及欧空局的盖亚空间望远镜对NGC 6397的观测数据，他们可以将观测精度提升至1%。盖亚空间望远镜是欧洲航天局（ESA）的一个空间望远镜，它的任务是观测银河系中恒星位置和运动并且绘制出迄今为止最精确的银河系三维地图。

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

作者：Karl Hille

翻译：王晴

校对：刘滨阳

编排：王晴

责任编辑：解仁江

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