天文科普:如何用手指計算出恒星與地球的距離?
發布時間:2020-08-03
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  在公元前2 世紀,希臘天文學家依巴穀(Hipparchus)將恒星按照亮度分為(wei) 6 個(ge) 等級(稱之為(wei) 星等),最亮的恒星為(wei) 一等星,肉眼可見的最暗的恒星為(wei) 六等星。大約2 000 年後,在1856 年,英國天文學家波格森(N。 R.Pogson)對依巴穀星等的概念在數學上做了明確的定義(yi) 。按照這個(ge) 定義(yi) ,星等差5 等相當於(yu) 亮度差99 倍,即一等星的亮度為(wei) 六等星的100 倍。

宇宙中有無數閃亮的星星 | pixabay宇宙中有無數閃亮的星星 | pixabay

  那些肉眼不可見的恒星則具有更高的星等。例如:比肉眼可見的極限亮度暗100 倍的恒星為(wei) 十一等星(比六等星低5 個(ge) 星等)。而那些比一等星更亮的恒星,它們(men) 則具有分數、零甚至負數星等。例如:織女星的視星等為(wei) 0.03,天狼星的視星等則為(wei) -1.46,而金星(行星)亮度達到最大的時候它的視星等可達-4.4。

一幅虛構的版畫,描繪了希臘天文學家依巴穀在公元前2 世紀的亞曆山大城觀測時的景象。望遠鏡直到17 世紀才發明。一幅虛構的版畫,描繪了希臘天文學家依巴穀在公元前2 世紀的亞曆山大城觀測時的景象。望遠鏡直到17 世紀才發明。

  天文學家用視差原理來測量恒星的距離,下麵的實驗很好地展示這個(ge) 原理。將手臂伸直,閉上左眼,用一根手指指向一個(ge) 遠處的物體(ti) ,比如一棵樹。此時保持手指不動,在睜開左眼的同時閉上右眼,你將會(hui) 發現你的手指指向相對原來那個(ge) 遠處物體(ti) 的方向發生了偏離。

左圖:視差測距原理圖。右圖:分別從地球公轉軌道的兩端測量目標恒星方位相對於背景恒星的偏移(即視差),利用這個偏移就可以計算出恒星與地球的距離。左圖:視差測距原理圖。右圖:分別從地球公轉軌道的兩端測量目標恒星方位相對於背景恒星的偏移(即視差),利用這個偏移就可以計算出恒星與地球的距離。

  這種現象是由於(yu) 你的兩(liang) 隻眼睛並不完全在同一個(ge) 位置造成的,它們(men) 之間有幾厘米的距離。因此,當你用兩(liang) 隻眼睛分別觀察同一個(ge) 前景物體(ti) (比如手指)的時候,兩(liang) 隻眼睛的視線方向會(hui) 稍微有一點差別。這種位置差別我們(men) 稱之為(wei) 視。為(wei) 了測量近鄰恒星的距離,天文學家們(men) 首先在地球位於(yu) 太陽一側(ce) 時(比如1 月份)先測量一次恒星的方位,當地球運動到相對太陽的另一側(ce) 時(7 月份)再次測量恒星的方位。由於(yu) 兩(liang) 次測量時,地球位於(yu) 相距較遠的兩(liang) 點,因此測量的恒星方位將會(hui) 有細微的差別。一年之中,恒星方位偏離其平均方位的最大值稱為(wei) 周年視差。一旦測得恒星的視差,由於(yu) 地球繞太陽公轉的軌道直徑也是已知的(3 億(yi) 千米),因此隻要用簡單的三角法就可以計算出恒星的距離了。

  由於(yu) 恒星離我們(men) 十分遙遠,所以恒星的視差其實是非常微小的。通常我們(men) 用度來表示角度,1 度分成60 角分,而1 角分又可以分為(wei) 60 角秒。所以,1 角秒就等於(yu) 1/60 個(ge) 1/60(1/3 600)度。周年視差為(wei) 一個(ge) 角秒的恒星距離定義(yi) 為(wei) 一個(ge) 秒差距,1 秒差距等於(yu) 3.26 光年。恒星距離我們(men) 越遠,周年視差就越小。例如:距離我們(men) 兩(liang) 秒差距的恒星,其周年視差為(wei) 0.5角秒;而距離我們(men) 10 秒差距的恒星其周年視差就隻有0.1 角秒了,以此類推。距離我們(men) 最近的恒星(半人馬座比鄰星)的視差為(wei) 0.772角秒,相當於(yu) 1.3 秒差距(4.2 光年)。

手槍星是銀河係中最亮的恒星之一。位於靠近銀河係中心的位置,距離地球25 000 光年。手槍星是銀河係中最亮的恒星之一。位於靠近銀河係中心的位置,距離地球25 000 光年。

  我們(men) 無法僅(jin) 從(cong) 某顆恒星的視亮度來判斷它到底是一顆距離我們(men) 很近但實際亮度很低的恒星,還是一顆距離我們(men) 很遠但實際亮度很高的恒星。不過,如果我們(men) 知道恒星發出的光有多少能夠到達地球(通過測量視星等),同時又知道恒星與(yu) 我們(men) 之間的距離(通過三角視差法測量),我們(men) 就能夠測量恒星的絕對光度[6]。已知最亮恒星的光度比太陽高幾十萬(wan) 倍,而最暗恒星的光度僅(jin) 有太陽的幾十萬(wan) 分之一。

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