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科学家们如何计算光线是从多少光年外的星球发出的?

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要知道遥远的星光,是从多远射过来的?其实有很多办法。这些办法,在天文学上,充当着不同尺度的“量天尺”。简单来了解下吧!

第一种:古老的三角形视差法。

早在地球航海时代,人们为了绘制地图,就发明了运用三角形特征的远距离测量方法。

基本原理如下:一个三角形,如果底边的长度已知,两个底角也已知,就可以计算出目标顶点到底的距离。底边的长度越长,其计算的精度也就越高。因此,我们只要选择一个足够长的已知直线段距离,然后在其两端观测远处的目标,获得两端观测的视角,就能运用三角形的结构法则计算出距离了,这就是古老且有效的三角形视差法。

如果要测算月球到地球的距离,就必须把底换成地球的直径,才能得到比较靠谱的精度。在地球的两端分别用一个望远镜同时观察月亮,分别获取两端的视角后,就能计算出地月距离了。

而要计算恒星到地球的距离,地球的直径显然也就不够用了。这时一般会利用地球公转的直径作为三角形的底边。一般夏天用望远镜观察一下目标恒星获得视角,当地球转到太阳另一边,也就是冬天时,再测一次目标恒星的视角,这样就可以计算目标恒星到地球的距离。

第二种:标准烛光法。

对于更远的距离,天文学家想到,可以一个已知距离恒星的光亮为标准,然后对比其他天体与之的明暗关系,来估算其距离。

这当然首先要进行大量的观察,然后再运用统计学就能获得光亮与距离之间的对应关系。而天文学上,有两套描述星光亮度的系统。

一套叫做视星等。

天文学家把夜空中比较亮的织女星(距离地球约25光年)作为参考标准,把它的亮度定义视星等为零。所有视星等为负数的星星都比织女星亮,而视星等为正数的星星则比织女星暗,而且每一等之间的亮度大约差2.5倍。

比如,一颗视星等为–1.0的星星的亮度是织女星亮度的2.5倍,而对一颗视星等为+2.0的星星来说,织女星的亮度是它的6.25倍(也就是2.5×2.5)。

这样根据不同星星的视星等,我们是否就能估算出它们与我们的距离了呢?还不能,因为有些星星只是反射光,有些是自己发光,而且不同的恒星光源的强度也不同。

于是,天文学家又提出了一套系统,叫“绝对星等”。

这个方法就是假设把一颗恒星放到32.6光年的地方,然后测量它的视星等,绝对星等描述的是恒星真实的亮度,每一等级之间亮度差距当然与视星等一样。

比如,天狼星的视星等是-1.47,但绝对星等是1.42,也就是说天狼星看上去亮是因为离我们近。而猎户座参宿七视星等是0.12,绝对星等却是-7.84,所以它是一颗距离我们很远且超亮的恒星。

既然知道了星星们的发光强度,又知道了光亮随着距离的递减程度,当然就能计算出星星与我们的距离,但这个办法也仅仅对银河系内的星星有效。

第三种:宇宙红移

如果更远,要测量星系与星系之间的距离,天文学家们也有办法。

这个办法最早由哈勃发现。首先,我们知道星系都会发射几种固定的光谱,这些光谱就像是星系的“指纹”。

远离我们的星系,它们的光谱线就会红移(光的波长被拉长),哈勃当时认为这是多普勒效应,但现在我们知道,这不是多普勒效应而是宇宙膨胀导致的。所以说,哈勃也算“歪打正着”地的提出了著名的哈勃定律:星系推行速度与距离成正比,其比值就是哈勃常数。

欧洲航天局于2013年3月21日宣布,根据普朗克卫星的测量结果得出新的哈勃常数值为67.80±0.77(km/s)/Mpc(Mpc表示百万秒差距,大约为300万光年),即在每增加300万光年的距离上(或每过300万年),星系远离地球的速度增大67.80±0.77千米每秒。

所以只要知道遥远星系的红移程度,我们就能估算出它们与我们之间的大致距离。

总结

原来我们只能测量方寸之间,现在我们已经开始测量浩瀚的星空。从天文学上“量天尺”的逐步升级就可以看出来,科学是无数代人一点一点积累的产物,是人类创造出来的最无法估量的传承之力。

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