科学家怎么知道恒星直径（科学家如何测量系外恒星直径）

大家好，不知不觉我们的【科学有道理】栏目已经推出了好多期，越来越接近尾声了。在这一档栏目中，我们尽量用简单的语言，来向大家介绍科学家们研究系外天体的方法，好让大家明白，科学家给出的数据都是有理有据，并非瞎编的。

上一期，我们讲的是测量系外恒星质量的方法，并且留了一个话题，就是测量系外恒星的直径。大家会发现，我们中间隔了好几天，今天才终于继续介绍。这期间除了筹备【太空电梯】和【宇宙出生日记】两大栏目之外，也有恒星直径测量方法很难通俗化的因素在里面。所以，如果我今天说的有点“不是人话”，大家就权且当作“人话”听吧。

首先，咱们从好理解的一种开始说。

• 光度法

从常识来理解，一颗恒星越大，它就越亮，也越重。这个常识，其实放在宇宙里并不准确，但是在某些情况下，还是适用的。

比如天狼星，也就是夜空中最亮的恒星。通过已有的方法，我们是可以量化天狼星的亮度的，那就是绝对星等（这个就不再介绍了，想了解的请移步到前面的文章），是1.4等。而太阳的绝对星等，也是可以知道的，大约是4.8等。通过一套公式可以计算出来，天狼星的亮度是太阳的32.5倍。

这个亮度的倍数，也可以利用公式转化到表面积的比例——这个公式我们也不介绍了，毕竟大家是学点业余小知识，可以长（chui）见（niu）识（bi），又不是真的去做天文学家。

总之，知道了表面积的比例，只要开个平方，就是直径的比例了。所以，天狼星的直径大约是太阳的1.71倍，也就是大约238万公里。

不过，这个方法相对是比较麻烦的，因为计算比较多。

• 干涉法

1920年，天文学家迈克尔孙发明了迈克尔孙恒星干涉仪，成功降低了计算恒星直径的难度。

好了，这就到难点了。我们选择……略过。

好吧，还是说说吧。

干涉，是高中物理的知识了，不知道大家还记得多少。说的就是两个不同的波，相遇的时候会发生振幅等各个属性的共同作用而发生变化。就比如湖面上的两道不同的涟漪，扩散后碰在一起，交叉的部分会出现新的涟漪。

光波也是波，和水波也是有相似之处的，也会发生干涉。就是利用光波的干涉，科学家可以计算恒星的直径。

迈克尔孙干涉仪的原理，大约是这样的。目标恒星的光源S射出的光射到两个平面镜M1和M3上，可以看作是平行光，经由M2和M4和凹面镜、平面镜的各种反射，撞得二脸懵逼地汇聚在望远镜焦平面P上，发生干涉和衍射等现象。

两束光在叠加后会出现干涉条纹，有的地方非常明亮，有的地方则完全无光。经过此处可以省略一万字的公式，就可以计算出恒星的角直径了——说真的，这个公式别说省略一万字了，要是真想学明白，一万个小时还差不多，总之这个公式最后化简的结果是

其中λ是平均波长，这个是很容易得到的数据；d0是干涉条纹第一次由最清晰到消失的基线长度，很容易测量，所以角直径θ就得到了。接下来就是三角函数了，有了顶角的度数和恒星的距离，就可以得到恒星的直径了（这两个测量方法参照日地距离和恒星距离的那两期）。

到了现代，科学家们又利用更新的技术改进了迈克尔孙的干涉仪。他们利用两架距离比较远的大口径光学望远镜作为组合，代替迈克尔孙干涉仪的M镜，用光电倍增管接受星光，这就是强度干涉仪。

不过，这个方法对于天体是有要求的，那就是足够明亮，提供足够的光，否则根本无法达到干涉的效果。因此，即便是强度干涉仪，我们也只能测量到最暗为2等星的天体，否则也只能干瞪眼了。

• 衍射法

去年的时候，由DESY的Tarek Hassan和来自史密森天体物理天文台(SAO)的Michael Daniel领导的国际团队在《自然天文学》上发表了一种新的测量系外恒星直径的办法，也很有意思，那就是利用太阳系的小行星。其原理，就在于光的衍射。

问题又来了：衍射又是啥……

你可能还记得，这也是高中物理知识——看，上高中多么重要，我们上学的时候总以为科学家闲的蛋疼，现在才知道这些研究多么有意义。

好了，我已经默认你忘光了，咱们再介绍一下。

如果把光的干涉比喻为两个武林高手的对决，那么衍射就是老顽童自创的左右手互搏术。

当一列波肆无忌惮地前进时，突然撞了一下南墙。可是它不回头，而是选择绕路而行。好在墙上有两个缝，它分成两部分，分别钻过去。这俩波翻脸不认波，完全忘了彼此本自同根生，然后开始“相煎何太急”，这就是波的衍射。如果是光波的话，在衍射后会出现衍射光栅，或者泊松亮斑。

距离我们2674光年的恒星TYC 5517-227-1，有幸成为了第一颗通过小行星衍射效应被测量直径的天体。

2018年2月22日小行星1165 Imprinetta掠过恒星TYC 5517-227-1，挡住了它的光。科学家们抓住机会，利用每秒钟拍摄300张照片的速度，收集了大量的资料，用于汇总其衍射图样。

这个计算过程，也是非常复杂的，涉及到恒星光度下降的时间等许多数据。总之，利用这个方法，科学家们可以计算出恒星的角直径θ，其精度可以达到1毫弧秒。这个1毫弧秒是什么概念呢？科学家比喻说，这个角度相当于从美国纽约看法国巴黎埃菲尔铁塔（直线距离5840公里）上一枚一分钱硬币的大小。

通过恒星的半径和恒星的表面重力，我们也可以求出恒星的质量。

随着人类科技的发展，科学家还会拿出越来越多的方法来测量各种系外天体的数据。只能说对于现在的科学家来说，很多方法还是不够精确的。比如传说中最大的恒星盾牌座UY，它的直径大约是太阳的1708倍，但有192倍太阳直径的误差，目前无法修正，而且它和大犬座VY也曾经有过一段时期的最大恒星头衔较量，直到后来才超过了它。

因此，对于现在的我们来说，有些数据也并不准确，有待于更多的方法出现，才能够让我们更加了解这些天体。