试验十五河外星系红移的测定.pdf

实验十五主要探讨的是河外星系红移的测定方法，这是天文学中研究宇宙膨胀现象的重要手段。在现代宇宙学中，星系的红移是一个关键的观测事实，它揭示了宇宙的扩张状态。本实验旨在让学生直观地理解星系谱线红移，并通过实际操作学习如何处理和分析相关数据。 实验原理基于哈勃定律，这是一条描述宇宙扩张的基础定律，它指出远方的星系相对于我们有更大的退行速度，这个速度与距离成正比。具体公式为 v(r) = H0 D，其中v(r)是星系的退行速度，D是星系距离，而H0是哈勃常数，通常取值在50至100 km/s Mpc之间。红移量z定义为Δλ / λ0，其中Δλ是天体谱线的实际波长与实验室静止波长之差，λ0是实验室静止时的波长。 在低红移（z << 1）情况下，可以简单地用v(r) = cz来估算视向速度，c是光速。然而，当红移接近1或超过1时，需要考虑相对论效应，这时速度的计算需要用到更复杂的公式v(r) = c(z/(1+z))^2。 实验步骤如下： 1. 观察到的五个星系光谱按照红移从小到大的顺序排列，这些星系分别来自五个不同的星系团：室女、大熊、北冕、牧夫、长蛇。光谱片上包含了三条谱线，中间的为星系光谱，上下两条为实验室对比谱线。实验中，CaⅡ的H线和K线被用作参考，它们的波长分别为396.849nm和393.68nm。 2. 利用计算机软件对图像进行放大，采用内插法计算每个星系谱线的位移量Δx，分别基于H线和K线，并取平均值。通过实验室谱线的波长差和距离计算线色散，进而确定星系谱线的位移Δλ。 3. 利用红移量的定义Z=Δλ/λ0，计算出每个星系的红移量。 4. 根据红移量，分别在低红移和高红移的情况下计算星系的退行速度v(r)。 5. 通过哈勃定律v(r) = H0 D的逆运算，求出星系的距离，并与图中给出的距离进行比较，评估测量误差的大小及其可能产生的原因。 本实验不仅让参与者熟悉了红移的测定方法，还让他们对哈勃定律有了深入的理解，同时也训练了他们在实际观测数据处理中的技能。通过这种实践，学生能够更好地把握宇宙膨胀这一核心概念，进一步探究宇宙的奥秘。