【原】宇宙中的恒星距離我們十分遙遠(yuǎn)，科學(xué)家是如何測(cè)得距離等數(shù)據(jù)的？

艾牛科普君 2020-01-01

展開(kāi)全文

恒星是宇宙中最基本的天體，星系就是由上億顆恒星構(gòu)成的。在銀河系中，除了太陽(yáng)，距離我們最近的恒星是比鄰星，距離地球4.2光年。人類目前向太陽(yáng)系外發(fā)射的最快的探測(cè)器是新視野號(hào)，速度高達(dá)21千米每秒，但這對(duì)于宇宙中的遙遠(yuǎn)距離來(lái)說(shuō)不值一提，以這樣的速度前往比鄰星仍然需要耗費(fèi)6萬(wàn)多年時(shí)間。

比鄰星是半人馬座α星（在我國(guó)叫做南門二）的其中一顆恒星，半人馬座阿爾法星屬于三星系統(tǒng)。比鄰星由天文學(xué)家羅伯特·因尼斯發(fā)現(xiàn)于1915年，是一顆紅矮星，質(zhì)量大約為太陽(yáng)的1/8，直徑大約為太陽(yáng)的1/7，該恒星的表面溫度大約在2400~2800攝氏度之間。

（上圖為半人馬座阿爾法三星系統(tǒng)示意圖）

比鄰星離地球很遠(yuǎn)，人類不可能向它發(fā)射探測(cè)器，宇宙中其他的恒星就更加遙遠(yuǎn)了。那么這些恒星的質(zhì)量、體積、與地球的距離等數(shù)據(jù)又是如何測(cè)得的呢？

利用中學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)給恒星測(cè)距

月球和地球相距38萬(wàn)公里，地球和太陽(yáng)相距1.5億公里，比鄰星和地球相距4.2公里。地球和月球之間的距離較近，人類在月球表面總共放置了五面激光反射鏡。光在真空中的速度是恒定的，從地球上發(fā)射一束激光打到激光反射鏡上，通過(guò)精確測(cè)量激光往返的耗時(shí)，就可以得出地月之間的距離，誤差不到幾厘米。距離再遠(yuǎn)一些，便不能直接測(cè)量了。

（上圖為阿波羅宇航員在月球上安置的其中一面反射鏡）

測(cè)量恒星距離的方法有很多，這里介紹一種最基礎(chǔ)的測(cè)量方法，叫做三角視差測(cè)量法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，三角視差法就是利用不同視點(diǎn)對(duì)同一物體觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的視差來(lái)測(cè)量距離的方法。三角視差法的基礎(chǔ)就是三角測(cè)量，該方法不僅可以用于天文測(cè)量，還可以用于航海測(cè)量、大地測(cè)量等生產(chǎn)生活中。

歷史記載中最早使用三角測(cè)量的是古希臘學(xué)者泰勒斯。公元前600多年，古希臘學(xué)者泰勒斯通過(guò)測(cè)量金字塔影子的長(zhǎng)度，結(jié)合自己的身高，再利用相似三角形的原理，成功測(cè)量出了金字塔的高度。既然能夠測(cè)量建筑物的高度，當(dāng)然也可以用來(lái)測(cè)量距離或者遠(yuǎn)處物體的尺寸等數(shù)據(jù)。

（上圖為利用影子長(zhǎng)度測(cè)量金字塔高度的原理示意圖）

宇宙中的恒星雖然都在運(yùn)動(dòng)，但是由于彼此之間的距離十分遙遠(yuǎn)，短期內(nèi)可以認(rèn)為它們是固定不動(dòng)的。既然涉及到三角測(cè)量，那么在測(cè)量天體距離的過(guò)程中，必然需要構(gòu)建一個(gè)三角形。已知三角形的某些必要元素，就可以求出三角形的其它元素。如果有兩個(gè)固定的觀測(cè)點(diǎn)，它們之間的距離是已知的，對(duì)同一個(gè)物體進(jìn)行觀測(cè)，得到兩個(gè)方位角就可以確定該物體的位置（兩條相交的直線確定一點(diǎn)）。在這里，被測(cè)量物體與兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的連線構(gòu)成了一個(gè)等腰三角形（近似）。

測(cè)量遠(yuǎn)處的恒星與地球之間的距離時(shí)，需要選取兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并且觀測(cè)點(diǎn)之間的距離需要適宜，這樣才能產(chǎn)生足夠精確的視差角。地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變，天文學(xué)家以地球公轉(zhuǎn)軌道的某條軸為基線，根據(jù)前后半年該恒星在視差中的變化計(jì)算出視差角（等腰三角形的頂角），就可以得出該恒星與地球的距離。它所用到的幾何知識(shí)，初中生都能搞明白，稍難一點(diǎn)的可能就是三角函數(shù)了。

（以上圖片為三角視差測(cè)量法的原理示意圖，恒星對(duì)日地平均距離的張角叫做該恒星的三角視差）

當(dāng)恒星距離我們十分遙遠(yuǎn)時(shí)，我們所采用的基線已經(jīng)無(wú)法產(chǎn)生可以被精確測(cè)量的視差角。因?yàn)檫@個(gè)原因，三角視差測(cè)量法只適用于測(cè)量距離地球幾百光年范圍內(nèi)的恒星的距離。

其實(shí)，恒星的距離很難被精確測(cè)量，往往需要使用多種方法，采用多次測(cè)量的方式，才能盡可能地減少誤差。不同的測(cè)量方法也有不同的適用范圍。

值得一提，宇宙中還存在一種被稱之為造父變星的恒星，通過(guò)其光譜可以估算它的實(shí)際亮度，觀測(cè)到的亮度與恒星的實(shí)際亮度是不同的，距離越遠(yuǎn)亮度越低，精確測(cè)量這種亮度上的變化就能估算天體的距離。造父變星因此也被稱之為“量天尺”。

（上圖為銀河系內(nèi)位于船尾座的造父變星，圖片由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝）

知道了恒星的距離，就可以得出恒星的體積及質(zhì)量

恒星可以看作一個(gè)球體，知道了球體的直徑，就可以計(jì)算出它的體積。測(cè)量恒星直徑的方法也有許多種，但都大同小異，下面還是介紹怎樣利用視差進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)得了該恒星與地球的距離，還可以利用視差測(cè)量該恒星的直徑。通過(guò)觀測(cè)恒星的上下邊緣之間的視差角，這個(gè)角度也被稱之為視直徑，然后利用三角函數(shù)就可以計(jì)算出該恒星的實(shí)際直徑。由于恒星距離遙遠(yuǎn)，視直徑非常小，普通的望遠(yuǎn)鏡根本無(wú)法達(dá)到如此的精度，這時(shí)需要用到干涉儀望遠(yuǎn)鏡（由多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成）。

（上圖為利用視差測(cè)量恒星直徑的基本原理）

如果已知恒星的實(shí)際直徑，通過(guò)測(cè)量視直徑，可以反過(guò)來(lái)推出該恒星與觀測(cè)者的距離。比如已知月球的直徑，利用一枚硬幣就可以推算出地月之間的大致距離。

知道了恒星的體積大小，結(jié)合恒星的年齡，就可以推出恒星的質(zhì)量。

宇宙中的恒星雖多，但卻有規(guī)律可循，不同的恒星擁有不同的光譜類型。天文學(xué)家通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)分析，編撰了赫羅圖，它描述了恒星的表面溫度、亮度和大小之間的關(guān)系。通過(guò)分析恒星的光譜，根據(jù)恒星演化理論就可以判斷出它的年齡。

處于同一年齡階段的同類型恒星的密度都差不多，根據(jù)它的體積大小，就可以判斷出它的質(zhì)量。當(dāng)然，不是體積越大的恒星，質(zhì)量也就越大。處于衰老期的恒星，體積會(huì)膨脹很多倍。太陽(yáng)在幾十億年之后就會(huì)膨脹為體積巨大的紅巨星，到時(shí)候連地球也會(huì)被吞沒(méi)。