距離地球最近的恒星有40萬(wàn)億公里，科學(xué)家怎么測(cè)出來(lái)的？

每次抬頭仰望星空，你是不是也有這樣的疑惑呢？天上的那些星星看得見(jiàn)卻摸不著。它們究竟離我們有多遠(yuǎn)呢？科學(xué)家又是怎么知道的呢？今天咱們來(lái)一探究竟!

在這漫天的繁星中，有幾顆是太陽(yáng)系中的行星，例如金星和火星。它們到地球的距離，科學(xué)家是怎么知道的呢？有一個(gè)方法簡(jiǎn)單粗暴，就是對(duì)著它們“大喊一聲”（畫(huà)面：你過(guò)來(lái)啊！）想象一下，你想知道對(duì)面山峰的距離，最直接的方法就是對(duì)著它大喊一聲，然后測(cè)量聽(tīng)到回聲的時(shí)間。聲音的速度已知，距離就能算出來(lái)。科學(xué)家就是用這個(gè)原理，只不過(guò)他們把“喊聲”換成了無(wú)線電波或激光，把“回聲時(shí)間”測(cè)量得無(wú)比精確。

雷達(dá)測(cè)距法

舉個(gè)例子，如果想要知道金星的距離，科學(xué)家就得先向金星發(fā)射一束強(qiáng)大的無(wú)線電波脈沖，然后用巨型射電望遠(yuǎn)鏡接收從行星表面反射回來(lái)的微弱信號(hào)，就像是傾聽(tīng)回聲一樣，記錄下信號(hào)往返的精確時(shí)間（通常幾分到幾十分鐘），乘以光速（無(wú)線電波以光速傳播），再除以2，就得到了能精確到“米”級(jí)的金星距離。這就是雷達(dá)測(cè)距法。

激光測(cè)距法

此外，人們已經(jīng)在月球表面放置了多個(gè)角反射鏡陣列。這玩意就像自行車(chē)尾燈的反光板。如果我們朝著它發(fā)射一束激光脈沖，激光就會(huì)被反射原路返回。通過(guò)測(cè)量激光束往返的時(shí)間（約2.5秒），就能驚人的厘米級(jí)精度的地月距離。這就是激光測(cè)距法。

開(kāi)普勒第三定律

此外，只要我們知道了某顆行星的公轉(zhuǎn)周期，就能根據(jù)開(kāi)普勒第三定律:行星公轉(zhuǎn)周期的平方，與它軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比，就能立刻算出它到太陽(yáng)的平均距離，繼而也就知道它離我們有多遠(yuǎn)了。舉個(gè)例子，木星的公轉(zhuǎn)周期約為11.86年，那么木星到太陽(yáng)的平均距離就是a = 3√(11.862)≈5.2AU，即大約7.8億公里。如此一來(lái)，我們?cè)俳Y(jié)合木星在軌道上的具體位置，就能知道它在某個(gè)時(shí)刻與我們的具體距離了。

除了太陽(yáng)系中的這幾顆行星，夜空中更多的是恒星。很顯然，前面提到的那些測(cè)量辦法都是行不通的。那我們又如何知道它們的距離呢？

看到這里，請(qǐng)豎起你的大拇指，放在眼前。先閉上右眼，用左眼看它，記住拇指前方對(duì)準(zhǔn)的景物（比如窗框）。然后，閉上左眼，睜開(kāi)右眼再看。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，拇指的位置好像移動(dòng)了！背景越遠(yuǎn)，這種移動(dòng)越不明顯。這個(gè)“移動(dòng)”，在光學(xué)上叫做視差。你的兩只眼睛之間的距離（約6-7厘米），就是測(cè)量的基線。基線越長(zhǎng)，能測(cè)量的距離就越遠(yuǎn)。因此，這種“三角視差法”就可以測(cè)量恒星的距離。

怎么聽(tīng)著有些難以置信呢？難道我們豎起大拇指朝著天上的星星眨眼就能知道它們的距離了嗎？我們來(lái)看看科學(xué)家是如何“眨眼睛”的？此時(shí)，我們得需要兩只更大的“眼睛”：地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道上的兩個(gè)位置——比如一月和七月，相隔約3億公里！用這雙超級(jí)“眼睛”去觀測(cè)一顆較近的恒星，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它相對(duì)于極其遙遠(yuǎn)的星空背景，在半年內(nèi)發(fā)生了微小的位置擺動(dòng)。

三角視差法

這個(gè)擺動(dòng)的角度，就是“視差角”。利用簡(jiǎn)單的三角函數(shù)，距離 = 基線長(zhǎng)度 / 視差角。當(dāng)科學(xué)家測(cè)得一顆星的視差角是“1角秒”（1度的3600分之一），它的距離就被定義為一個(gè)秒差距（約3.26光年）。這就是宇宙距離的基本單位之一。舉個(gè)例子：最近升起的天狼星的視差角約為2.64角秒，那么它到地球的距離為2.64秒差距，也就是大約8.6光年。

但是視差法也是有極限的，不能測(cè)量宇宙中所有天體的距離。這是因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，視差角呈倒數(shù)減小。也就是說(shuō)，距離增加10倍，視差角就會(huì)減小到原來(lái)的1/10。歐洲的“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡能達(dá)到的精度約1000秒差距（約3260光年）應(yīng)該算得上是目前三角視差法能達(dá)到的極限精度了。一顆距離地球1000秒差距的恒星，它的視差角只有0.001角秒。這是什么概念呢？這相當(dāng)于從北京看上海的一枚硬幣的厚度，或者從地球看月球上一個(gè)蘋(píng)果的大小。測(cè)量這樣的角度，對(duì)儀器是終極挑戰(zhàn)。因此，那些過(guò)于遙遠(yuǎn)（3260光年）以外的恒星，就很難用三角視差法來(lái)測(cè)量距離了。

蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡

可是，現(xiàn)在我們知道銀河系的直徑就有10萬(wàn)光年以上，區(qū)區(qū)1000秒差距的距離只是銀河系直徑的一小部分而已。那些更加遙遠(yuǎn)的天體距離又該怎么測(cè)量呢？辦法總比困難多。于是，科學(xué)家又想到了另一種辦法。

如果你觀察一下晚上路邊的路燈就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的問(wèn)題，雖然你知道這些路燈的亮度都是相同的，例如都是100瓦的，但是遠(yuǎn)處的路燈看起來(lái)就會(huì)更暗一些。這是因?yàn)楣獾牧炼葧?huì)隨著距離平方衰減——距離翻倍，亮度會(huì)減弱到四分之一。于是，我們就可以通過(guò)路燈的亮度變化來(lái)推算出某個(gè)路燈離我們有多遠(yuǎn)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中有一些天體本身真實(shí)的亮度是已知或可推算的。只要我們能認(rèn)出它，再測(cè)量它看起來(lái)有多暗（視亮度），就能反推出它的距離。它們被稱(chēng)為天文學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。這里咱們介紹兩種這樣的天體：造父變星和Ⅰa型超新星。

標(biāo)準(zhǔn)燭光

造父變星是一種特殊的恒星。它們會(huì)像心跳一樣規(guī)律性地脈動(dòng)、明暗變化。上世紀(jì)初，天文學(xué)家亨利埃塔·萊維特發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黃金定律：造父變星的脈動(dòng)周期越長(zhǎng)，其平均的真實(shí)亮度就越亮（周光關(guān)系）。我們只要在遙遠(yuǎn)星系里找到這樣一顆“心跳恒星”，測(cè)出它的心跳周期（比如5天一亮暗或10天一亮暗），就能立刻知道它的“真實(shí)瓦數(shù)”。再看它在我們眼中有多暗，距離就一目了然。

美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃正是利用仙女座星系中的造父變星，計(jì)算出了仙女星系距離我們大約254萬(wàn)光年。

此外，宇宙中最耀眼的事件——Ia型超新星也可以用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。它是一顆白矮星（恒星殘骸）吸積伴星物質(zhì)，達(dá)到一個(gè)極其精確的臨界質(zhì)量時(shí)引發(fā)的徹底爆炸。這個(gè)臨界質(zhì)量被稱(chēng)為“錢(qián)德拉塞卡極限”，約為1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量。

Ia型超新星

由于觸發(fā)機(jī)制相同，這類(lèi)超新星爆炸的最大亮度幾乎總是相同的，好比宇宙中當(dāng)量完全一致的“標(biāo)準(zhǔn)原子彈”。它的亮度在巔峰時(shí)，足以與整個(gè)星系媲美，因此在極遠(yuǎn)處也能被看到。通過(guò)觀察其亮度曲線，天文學(xué)家就能精確校準(zhǔn)它的真實(shí)亮度，從而計(jì)算出它與我們的距離，也知道了它所在星系的距離。通過(guò)它我們可以測(cè)量出那些距離地球數(shù)十億甚至上百億光年的天體。因而，Ia型超新星成為了探測(cè)宇宙深處的終極量天尺。

1998年，科學(xué)家通過(guò)比較近處和極遠(yuǎn)處的Ia型超新星震驚地發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不僅沒(méi)有減速，反而在加速！這直接指向了神秘莫測(cè)的暗能量。

看來(lái)，要想知道一顆星星離我們有多遠(yuǎn)，其實(shí)根本不用“摸得著”，只需要“看得見(jiàn)”就可以了。其實(shí)那每一縷到達(dá)你眼睛的星光，都是一份穿越了浩瀚時(shí)空的密碼。它們包含了恒星的眾多參數(shù)信息。除了距離，你知道星光還會(huì)告訴我們哪些恒星的信息呢？評(píng)論區(qū)一起聊一聊吧！