天文学家如何绘制宇宙地图？

它不仅关系到某物现在在哪里，而且还关系到它将会在哪里。

宇宙学模拟和观测表明，星系在整个宇宙中呈蜘蛛网状分布。 

图片来源：Volker Springel（马克斯普朗克天体物理研究所）等人。

天体的运动已经被研究和解释了数万年。了解月亮和太阳如何移动有助于我们的祖先在季节变化中繁衍生息。将其扩展到行星让我们了解了我们在宇宙中的位置。几个世纪前精确天文学的出现，让我们认识到我们只是大池塘里的一条小鱼。但天文学家如何计算出物体相对于我们的位置呢？

根据我们尝试绘制地图的时间和内容，有不同的方法。我们正在尝试绘制宇宙中很多事物的地图。有些是为了保护我们的星球的安全，有些是为了了解我们的星系及其形成，有些是为了回答最深刻的宇宙学问题。

了解你的敌人

天体力学很复杂。三体在引力场中的运动没有精确的解（臭名昭著的三体问题）。想象一下，当你有数千个这样的粒子时，就像在太阳系中一样。我们做到这一点的方法是一遍又一遍地测量他们的位置。

对于行星和卫星，我们不必经常这样做；我们对它们有足够的了解，知道它们在相当长的一段时间内将在哪里。但当涉及小行星等较小天体时，了解它们的精确轨道非常重要。这对于近地天体、那些非常接近我们星球的小行星和彗星来说尤为重要，因为它们可能会撞击我们。

这些（相对）较小的太空岩石往往非常暗。这种大小和颜色的组合不太适合找到它们，但这并没有阻止天文学家。在过去 25 年里，通过射电、红外和光学望远镜，90% 的行星杀手（大于 1 公里）小行星都被发现了。

但这不仅仅是找到它们。重复观测很重要，因为它使我们能够了解和完善这些天体的轨道，并计算出它们曾经在哪里以及将在哪里。该领域最近令人兴奋的发展是雷达技术的使用，它可以提高轨道参数的精度。

我们在群星之中的位置

雷达最多只能在土星轨道上工作——但我们想知道我们在银河系中的位置。第一种方法是使用视差法计算恒星的距离，为天文学带来一些三角学知识。三角学是研究角度函数的学科。你有正弦、余弦和正切。

当你意识到当我们的行星绕太阳运行时，通过计算恒星如何改变其在天空中的视位置，你可以创建漂亮的小三角形，这在天文学中非常有用。所讨论的角度非常小，但通过足够精确的测量，我们可以测量这么多恒星的距离。

对于这项工作来说，没有什么仪器比盖亚航天器更精确了。欧洲航天局的这项任务绘制了最精确的银河系地图，计算出超过十亿颗恒星、太阳系中的系外行星、彗星和小行星，甚至一些黑洞的位置和运动。

宇宙的形状

但更广阔的宇宙呢？很长一段时间，我们只知道我们自己的星系。我们无法测量更远的地方（视差方法的精度取决于我们的精度）。感谢天文学家亨利埃塔·斯万·莱维特，宇宙突然向我们敞开了大门。她的研究表明，某些被称为造父变星的恒星在其变化周期与其内在光度之间存在特定的关系。

如果您知道物体的亮度，并且在光传播了这么长的距离后测量其表观亮度，您就可以计算出该距离。这就是标准蜡烛的原理。通过测量造父变星的周期，终于有了测量河外距离的方法。 

天文学家并不知道那里有什么东西，直到埃德温·哈勃在包括仙女座在内的几个“星云”中发现了造父变星，并意识到它们不可能在银河系中。那些恒星在其他星系中。

但大约一个世纪前，哈勃在研究这些新发现的星系时取得了另一个重要发现。几乎所有的人都在离我们而去。这是宇宙正在膨胀的第一个证据。 

我们知道它们正在远离，因为我们可以测量它们的红移。这种现象类似于我们在道路上经常遇到的多普勒频移。如果救护车正在接近，其警笛的音调会更高，而一旦它经过并远离我们，它的音调就会降低。警报器没有变化，但声波在靠近我们时被压缩，在远离我们时被拉伸。

如果你移动得足够快，光也会发生同样的事情。靠近我们的物体变得更蓝（它们的光波被压缩），远离我们的物体变得更红。然而，红移并不是真正的多普勒频移，因为它不是由星系的运动引起的，而是宇宙的膨胀引起的。

标准烛光和红移的使用都可以帮助我们构建宇宙的 3D 图片，这就是我们希望找到宇宙学中最大的开放问题的答案的地方：什么是暗物质和暗能量？这两种成分构成了宇宙所有物质能量含量的 95%。剩下的就是我们的日常事务了。

星系并不是随机分布在太空中的。它们被组织成一种称为宇宙网的结构，该结构由各种形式的物质和能量塑造。准确地了解它是什么样的——比如即将进行的调查，比如维拉鲁宾天文台计划的调查——将为了解这个谜团提供重要的见解，并有望提供解决方案。

自古以来，我们就利用天空来导航我们的星球并绘制从这里到那里的路线图。很自然，我们对地图制作的痴迷已经从淡蓝色的点延伸到我们所见过的最远的星系。