天文學(xué)家的“尺子”（上）

□ 王宗穆

天文學(xué)家的“尺子”（上）

□ 王宗穆

夜空深邃而神秘，當(dāng)你仰望星空，遙望著璀璨的繁星時，是否想過這樣一個問題：星星離我們到底有多遠(yuǎn)呢？事實上，這個問題曾經(jīng)困擾著無數(shù)天文學(xué)家，他們天天研究星星，卻無法得知星星的距離，這就像你只能天天和你的好朋友打電話但卻見不了面一樣令人懊惱。問題的關(guān)鍵在于借助什么方法度量星星的距離。在地球上我們可以用尺子量物體間的距離，但是宇宙如此廣闊，我們不可能真的造出一把尺子去量星星離我們有多遠(yuǎn)。幸好，經(jīng)過天文學(xué)家們執(zhí)著的努力，現(xiàn)在我們已經(jīng)找到了很多把能測量星星距離的“尺子”，并用它們測出了無數(shù)星星的距離，而這些“尺子”一個比一個巧妙、神奇。那么，天文學(xué)家們的“尺子”究竟長什么樣呢？

三角視差：最古老的尺子

先提一個看似不太相關(guān)的問題：為什么人有兩只眼？這個問題好像有點可笑。不管怎樣，讓我們先做個試驗。閉上你的眼睛，伸出你兩只手的食指，讓兩根食指的指尖相對，再讓兩根食指分開，相隔一段距離。之后隨便睜開一只眼，試著讓兩只食指的指尖相互接觸。嘗試幾次之后你會發(fā)現(xiàn)，只用一只眼很難讓兩只手指的指尖靠在一起。睜開兩只眼，再嘗試一下，你會發(fā)現(xiàn)你可以很輕松地讓兩只手指靠在一起?，F(xiàn)在你應(yīng)該明白了：人如果只有一只眼睛，會很難感知物體的距離。只有同時具有兩只眼才能很好地判斷物體的遠(yuǎn)近?？梢娙擞袃芍谎圻€是很有科學(xué)道理的呢！不過究竟為什么只有靠兩只眼才好分辨物體的遠(yuǎn)近呢？

我們再做一個實驗。伸出你的食指，讓食指與你的眼睛處于同一高度。閉上你的左眼，睜著右眼，再閉上你的右眼，睜著左眼，就這樣不停地閉來閉去，你會發(fā)現(xiàn)，食指與它后面的背景的相對位置在不斷變化。用左眼看的時候，食指似乎偏向右；而用右眼看的時候，食指似乎偏向左。將食指與眼睛的距離拉大，你會發(fā)現(xiàn)這種相對位置的差別明顯變小了。為什么會這樣？你也許很快就能說出答案：因為人的左右眼是分開的，它們都是從各自的角度觀察物體的，而距離越遠(yuǎn)的物體兩只眼位置不同帶來的影響就越小。這種現(xiàn)象稱作“視差現(xiàn)象”?！伴L兩只眼”的奧妙就在這里：由于兩眼間有一定距離，人的左右眼獲得的圖像有一定的差異，而這種差異正是得知物體遠(yuǎn)近的秘密所在。大腦得到兩眼送來的圖像之后，會對圖像進(jìn)行加工，使兩幅圖像變?yōu)橐环⒏鶕?jù)兩眼圖像差異的大小得知物體各自的距離。正是大腦和眼睛的這種協(xié)作，我們才不至于犯分不清遠(yuǎn)近的可笑錯誤。

只有同時具有兩只眼才能很好地判斷物體的遠(yuǎn)近

視差確實很有意思，但和星星有什么關(guān)系呢？想象一下，地球繞著太陽沿著公轉(zhuǎn)軌道轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，每個月在不同的位置。我們選擇兩個相對的月份——比如6月和12月。6月和12月地球在公轉(zhuǎn)軌道上處于相對的位置，這兩個位置就好比人的兩只眼。我們在6月拍攝某顆星星的照片，在12月再拍攝同一顆星星的照片。之后，“大腦”——天文學(xué)家開始對比兩張照片，他們發(fā)現(xiàn)星星在6月和12月相對于背景的位置有微小的差別，借助數(shù)學(xué)計算，天文學(xué)家們就能成功地獲取星星的距離。這和人眼與大腦的協(xié)作幾乎一模一樣！由于在計算中要使用三角函數(shù)，所以這種方法稱為“三角視差法”。在天文學(xué)家眾多的尺子中，這是最準(zhǔn)的尺子之一（能和它媲美的只有激光和雷達(dá)測距，而這兩者只能用于太陽系內(nèi)天體的測距），也是最古老的一把尺子，幾百年前天文學(xué)家就會使用了。

獲得星星距離的方法竟然就隱藏在我們的兩只眼睛里，實在是令人難以置信！不過，三角視差法有一個巨大的缺陷：它只能測量近距離（數(shù)百光年內(nèi)）天體的距離，而對于那些非常遙遠(yuǎn)的天體（如距離我們250萬光年的仙女座大星系）則無能為力。原因在前面的實驗中已經(jīng)體現(xiàn)了出來：物體離我們越遠(yuǎn)，視差現(xiàn)象就越不明顯。當(dāng)物體非常遙遠(yuǎn)時，視差就難以發(fā)覺了。所以，當(dāng)星星非常遠(yuǎn)時，我們無法觀察到它的視差，也就無法計算它的距離。

左：三角視差法測量天體距離右：天體測距是天文學(xué)中重大而永恒的問題，對于天體很多性質(zhì)的研究，都要基于已知天體距離這一點之上。

這可不太好，畢竟近距離的星星數(shù)量是很有限的。那么有沒有什么方法能夠測出遙遠(yuǎn)天體的距離呢？當(dāng)然有，而且不止一種！但這些尺子的準(zhǔn)確度都無法和三角視差法媲美，所以，在測量遙遠(yuǎn)天體的距離時，為了獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們有時會同時采用好多把尺子，最后綜合各種方法的結(jié)果，給出天體的距離。這些方法大多比較復(fù)雜，我們按照尺子的發(fā)現(xiàn)順序選取其中的三種來看一下。

我們的大腦借助視差得知物體的距離，天文學(xué)家也借助視差計算天體的距離。由于觀察點的改變，一個物體相對于遠(yuǎn)方背景的位置會發(fā)生移動。當(dāng)從“A”點觀察時，該物體看上去在藍(lán)色方格的前面；當(dāng)從“B”點觀察時，該物體則移動到了紅色方格的前面。

造父變星：新時代的“量天尺”

20世紀(jì)之后，隨著天文學(xué)的快速發(fā)展，近距離的恒星已不能滿足天文學(xué)家的胃口。他們更想知道遙遠(yuǎn)的星系、星團(tuán)的距離，但三角視差對此無能為力。天文學(xué)家們開始尋找新的尺子。

在數(shù)不勝數(shù)的恒星之中，有一類恒星很特殊。它們的亮度會不斷變化。天文學(xué)家稱這類恒星為“變星”。變星也分很多類型，其中一種類型的變星很有趣，它們的質(zhì)量和光度都很大，亮度會隨著時間周期性地變化，一會兒高一會兒低，非常有規(guī)律（可以精確到秒）。這類變星稱為“造父變星”，這個奇怪的名字來源于仙王座中的一顆恒星——造父一。它是最早被發(fā)現(xiàn)的這個類型的變星，所以天文學(xué)家用它的名字稱呼同屬于它這個類型的變星。

造父變星淹沒在銀河系和河外星系的星海之中，本來并不起眼。直到20世紀(jì)初，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們具有一個寶貴的性質(zhì)：造父變星的光度變化周期與光度存在驚人的對應(yīng)關(guān)系，光變周期越長，變星的光度越大，天文學(xué)家稱之為“周光關(guān)系”。為了便于理解，可以想象造父變星是一個個不停閃爍的燈泡，這些燈泡的平均亮度都不一樣。燈泡越亮，閃爍得就越慢（即周期越長）。正是這個有趣的現(xiàn)象，使得造父變星鶴立雞群，成為天文學(xué)家的第二把尺子。

這是為什么呢？要搞懂這個問題，我們要先區(qū)分光度和亮度這兩個概念。光度與亮度是不同的，光度是一顆恒星真實的發(fā)光本領(lǐng)，而亮度是離恒星有一段距離時觀測者眼中恒星的發(fā)光強度，即要考慮距離影響。就像一堆篝火，緊貼著它時火是很亮的，這時我們看到的火的亮度可以理解為火的“光度”。但離火很遠(yuǎn)時卻顯得暗很多，這是因為火離我們更遠(yuǎn)了。此時看到的火光強弱就是在我們這個距離時篝火的亮度。亮度與光度直接的區(qū)別就是亮度涉及距離，而光度不涉及距離。在知道恒星光度和亮度的情況下，借助數(shù)學(xué)就能算出恒星的距離?，F(xiàn)在來看天文學(xué)家們是怎樣使用這把尺子的：如果天文學(xué)家想知道一個星系或星團(tuán)的距離，首先他們會尋找星系或星團(tuán)中的造父變星，之后他們會測量造父變星的光變周期與亮度，再使用周光關(guān)系計算出光變周期對應(yīng)的造父變星的光度，最后根據(jù)亮度與光度算出造父變星的距離——這也就是星系或星團(tuán)的距離。

（未完待續(xù)）

（責(zé)任編輯 張恩紅）

在宇宙學(xué)和星系天文學(xué)中獲得距離的幾種重要方法都是以標(biāo)準(zhǔn)燭光做基礎(chǔ)的，造父變星是星系天文學(xué)的首選，可測量數(shù)千萬秒差距的距離。