宇宙中的天体和地球的距离(科学家是怎么计算天体离地球有多远的)

科学家告诉我们,虽然宇宙中的天体数量多得难以计数,但是天体在宇宙空间中的分布却非常稀疏,以至于其他天体与地球的距离动辄就是成千上万光年。相信大家在对此表示感叹之余,不免也会有点将信将疑,天体与地球的距离到底是怎么计算的?靠谱吗?

宇宙中的天体和地球的距离(科学家是怎么计算天体离地球有多远的)(1)

实际上,已知天体的距离都是通过多种科学方法得出来的结果,并非拍拍脑袋就给出来的数据,从整体上来看,这些数据都是比较靠谱的。下面我们就以从近到远的顺序来简单介绍一下,科学家是怎么计算天体离地球有多远的。

对于距离地球较近的天体来讲,三角视差法是科学家最常用的测距方式,为了方便理解,我们不妨来做个小实验。

如果你在视野较为开阔的情况下伸出大拇指,并把胳膊平举在自己的面前,然后再分别闭上左眼和右眼进行观察,那么你就会发现,你的大拇指相对于较远处的背景划过了一个角度,这个角度就被称为“视差”。

宇宙中的天体和地球的距离(科学家是怎么计算天体离地球有多远的)(2)

在这种情况下,你只要测量出这个“视差”的角度,以及你两只眼睛之间的距离,就可以通过三角函数计算出你的大拇指与你的双眼的距离了。

同样的道理,地球一直在围绕着太阳公转,每公转一圈就是一年,这就意味着,在不同的时间点,地球在空间中的位置是在变化的,如果我们在地球上观察同一个天体,也会存在“视差”。

比如说我们在1月的时候记录好一颗恒星在背景星空中的位置,然后在7月的时候再记录这颗恒星在背景星空中的位置,将两者进行对比之后就可以得到一个三角形。

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如上图所示(注:实际情况没这么夸张),这个三角形的底就是地球公转轨道的直径,也就是2天文单位,它所对的角就是“视差”,它的角度可以通过这颗恒星在背景星空中的位移计算出来,在此之后,科学家就可以通过三角函数计算出这颗恒星与地球的距离。

由于距离越远“视差”就越小,因此三角视差法是有很大局限的,通常来讲,这种方法只适合测量100秒差距(约326光年)以内的天体距离。那对于更远距离的天体,又应该怎么办呢?

我们知道,对于同一个发光体来讲,它距离我们越远,在我们眼中就越暗淡,其实这个规律也适用于宇宙中的那些发光的天体,比如说恒星。

在天文学中用“绝对星等”来描述恒星的真实发光本领,用“视星等”来描述我们所看到的恒星亮度,这两者的关系可用公式“M = m 5 x log10(d0/d)”来进行描述(注:公式中的M表示“绝对星等”,m表示“视星等”、d0为10秒差距(约32.6光年)、d为观测者与目标恒星的距离)。

也就是说,科学家只需要知道一颗恒星的“视星等”以及它的“绝对星等”,就可以根据上述公式计算出它与地球的距离,其中“视星等”是可以直接测量的,而“绝对星等”则可以通过观测恒星谱线的强度或宽度差异,再结合“赫罗图”进行估算。

值得注意的是,宇宙中有一些特殊天体的“绝对星等”是非常有规律的,其中最具代表性的就是“造父变星”和“Ia型超新星”。

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顾名思义,“造父变星”就是一种亮度会发生变化的恒星,根据科学家的观测,这种恒星的亮度会发生周期性的变化,并且其发光总量与光变周期存在着严格的线性关系。也就是说,我们只需要测量出一颗“造父变星”的光变周期与它的“绝对星等”的关系,就可以将这个规律推广到和它同类型的所有“造父变星”。

幸运的是,“造父变星”在宇宙中普遍存在,即使在地球100秒差距之内,也存在着这样的恒星,所以我们就可以先测量出距离地球较近的“造父变星”的“视星等”,然后通过三角视差法计算出它们与地球的距离,再通过前面提到的公式,就可以计算出它们的“绝对星等”了,接下来,我们只需要持续观测,就可以得到它的光变周期与它们的“绝对星等”的关系。

在此之后,我们就可以通过观测分布在宇宙中的那些遥远的“造父变星”的光变周期,再结合它们的“视星等”,就可以计算出它们与地球的距离,然后再以这些“造父变星”与地球的距离为“标尺”,就可以得知在它们附近的其他天体与地球的距离了,正因为如此,“造父变星”也被科学家称为“量天尺”。

“Ia型超新星”则是一种特殊的超新星,它们通常出现在宇宙中的那些双星系统。

如果宇宙中某个双星系统中的一颗恒星演化成了巨星,另一颗恒星演化成了白矮星,并且两颗恒星的距离足够近,那么致密的白矮星就会不断地吸收松散的巨星的物质,随着这个过程的持续,当白矮星的质量达到1.44倍太阳质量的时候,其自身的重力就会引发失控的热核反应,进而发生超新星爆发。

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“Ia型超新星”非常明亮,其亮度可与整个星系媲美,即使距离非常遥远,我们在地球上也可以观测到它们。

由于“Ia型超新星”总是发生在白矮星的质量达到太阳质量的1.44倍的时候,因此宇宙中所有“Ia型超新星”的“绝对星等”都是固定的,并且是可以计算的,所以科学家也将它们称为“标准烛光”,我们只需要测量出它们的“视星等”,就可以根据前面提到的公式计算出它们与地球的距离。

从理论上来讲,通过对上述方法的综合使用,可以测量100亿光年之内天体距离,如果距离超过了100亿光年,就需要通过测量天体的宇宙学红移来进行计算了。

观测数据表明,宇宙一直处于一个膨胀的状态,这会造成宇宙中的天体都会因此而具备一个互相远离的速度,这也被称为“退行速度”,对于宇宙中的两个点来讲,距离每增加1百万秒差距(约326万光年),“退行速度”就会增加67.8(±0.77)公里/秒。

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正因为如此,那些非常遥远的天体都在以极快的“退行速度”远离地球,在这个过程中,它们向地球方向发出的光的波长就会变长,同时其频率也会相应地降低,这在光谱上表现为谱线向着红端移动了一段距离,这种现象就是所谓的“宇宙学红移”。

由于天体与地球的距离越远,“退行速度”就越快,其红移值也就越明显,因此我们只需要测量出某个遥远天体的红移量,就可以计算出它与地球的距离。

结语

总而言之,所谓的“天体与地球的距离动辄成千上万光年”,其实是科学家通过大量的实际观测数据,再结合相关的理论计算出的结果,虽然由于观测水平的限制,这可能会存在着一定的误差,但从整体上来讲,科学家给出的数据还是相当靠谱的。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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