科學家們如何計算光線是從多少光年外的星球發出的？

2020-09-22 墨玫人工智慧

要知道遙遠的星光，是從多遠射過來的？其實有很多辦法。這些辦法，在天文學上，充當著不同尺度的「量天尺」。簡單來了解下吧！

第一種：古老的三角形視差法。

早在地球航海時代，人們為了繪製地圖，就發明了運用三角形特徵的遠距離測量方法。基本原理如下：一個三角形，如果底邊的長度已知，兩個底角也已知，就可以計算出目標頂點到底的距離。底邊的長度越長，其計算的精度也就越高。因此，我們只要選擇一個足夠長的已知直線段距離，然後在其兩端觀測遠處的目標，獲得兩端觀測的視角，就能運用三角形的結構法則計算出距離了，這就是古老且有效的三角形視差法。

如果要測算月球到地球的距離，就必須把底換成地球的直徑，才能得到比較靠譜的精度。在地球的兩端分別用一個望遠鏡同時觀察月亮，分別獲取兩端的視角後，就能計算出地月距離了。

而要計算恆星到地球的距離，地球的直徑顯然也就不夠用了。這時一般會利用地球公轉的直徑作為三角形的底邊。一般夏天用望遠鏡觀察一下目標恆星獲得視角，當地球轉到太陽另一邊，也就是冬天時，再測一次目標恆星的視角，這樣就可以計算目標恆星到地球的距離。

第二種：標準燭光法。

對於更遠的距離，天文學家想到，可以一個已知距離恆星的光亮為標準，然後對比其他天體與之的明暗關係，來估算其距離。

這當然首先要進行大量的觀察，然後再運用統計學就能獲得光亮與距離之間的對應關係。而天文學上，有兩套描述星光亮度的系統。

一套叫做視星等。

天文學家把夜空中比較亮的織女星（距離地球約25光年）作為參考標準，把它的亮度定義視星等為零。所有視星等為負數的星星都比織女星亮，而視星等為正數的星星則比織女星暗，而且每一等之間的亮度大約差2.5倍。

比如，一顆視星等為–1.0的星星的亮度是織女星亮度的2.5倍，而對一顆視星等為+2.0的星星來說，織女星的亮度是它的6.25倍（也就是2.5×2.5）。

這樣根據不同星星的視星等，我們是否就能估算出它們與我們的距離了呢？還不能，因為有些星星只是反射光，有些是自己發光，而且不同的恆星光源的強度也不同。

於是，天文學家又提出了一套系統，叫「絕對星等」。

這個方法就是假設把一顆恆星放到32.6光年的地方，然後測量它的視星等，絕對星等描述的是恆星真實的亮度，每一等級之間亮度差距當然與視星等一樣。

比如，天狼星的視星等是-1.47，但絕對星等是1.42，也就是說天狼星看上去亮是因為離我們近。而獵戶座參宿七視星等是0.12，絕對星等卻是-7.84，所以它是一顆距離我們很遠且超亮的恆星。

既然知道了星星們的發光強度，又知道了光亮隨著距離的遞減程度，當然就能計算出星星與我們的距離，但這個辦法也僅僅對銀河系內的星星有效。

第三種：宇宙紅移

如果更遠，要測量星系與星系之間的距離，天文學家們也有辦法。

這個辦法最早由哈勃發現。首先，我們知道星系都會發射幾種固定的光譜，這些光譜就像是星系的「指紋」。

遠離我們的星系，它們的光譜線就會紅移（光的波長被拉長），哈勃當時認為這是都卜勒效應，但現在我們知道，這不是都卜勒效應而是宇宙膨脹導致的。所以說，哈勃也算「歪打正著」地的提出了著名的哈勃定律：星系推行速度與距離成正比，其比值就是哈勃常數。

歐洲航天局於2013年3月21日宣布，根據普朗克衛星的測量結果得出新的哈勃常數值為67.80±0.77(km/s)/Mpc(Mpc表示百萬秒差距，大約為300萬光年)，即在每增加300萬光年的距離上（或每過300萬年），星系遠離地球的速度增大67.80±0.77千米每秒。

所以只要知道遙遠星系的紅移程度，我們就能估算出它們與我們之間的大致距離。

總結

原來我們只能測量方寸之間，現在我們已經開始測量浩瀚的星空。從天文學上「量天尺」的逐步升級就可以看出來，科學是無數代人一點一點積累的產物，是人類創造出來的最無法估量的傳承之力。

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