【原】科學家是怎么計算天體離地球有多遠的,？動輒成千上萬光年，靠譜嗎

魅力科學君 2022-03-25

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科學家告訴我們,，雖然宇宙中的天體數量多得難以計數,，但是天體在宇宙空間中的分布卻非常稀疏，以至于其他天體與地球的距離動輒就是成千上萬光年,。相信大家在對此表示感嘆之余,，不免也會有點將信將疑，天體與地球的距離到底是怎么計算的,？靠譜嗎,？

實際上，已知天體的距離都是通過多種科學方法得出來的結果,，并非拍拍腦袋就給出來的數據,，從整體上來看，這些數據都是比較靠譜的,。下面我們就以從近到遠的順序來簡單介紹一下,，科學家是怎么計算天體離地球有多遠的。

對于距離地球較近的天體來講,，三角視差法是科學家最常用的測距方式,，為了方便理解，我們不妨來做個小實驗,。

如果你在視野較為開闊的情況下伸出大拇指,，并把胳膊平舉在自己的面前，然后再分別閉上左眼和右眼進行觀察,，那么你就會發(fā)現,，你的大拇指相對于較遠處的背景劃過了一個角度，這個角度就被稱為“視差”,。

在這種情況下,，你只要測量出這個“視差”的角度，以及你兩只眼睛之間的距離,，就可以通過三角函數計算出你的大拇指與你的雙眼的距離了,。

同樣的道理，地球一直在圍繞著太陽公轉,，每公轉一圈就是一年,，這就意味著，在不同的時間點,，地球在空間中的位置是在變化的,，如果我們在地球上觀察同一個天體,，也會存在“視差”。

比如說我們在1月的時候記錄好一顆恒星在背景星空中的位置,，然后在7月的時候再記錄這顆恒星在背景星空中的位置,，將兩者進行對比之后就可以得到一個三角形。

如上圖所示（注：實際情況沒這么夸張）,，這個三角形的底就是地球公轉軌道的直徑,，也就是2天文單位，它所對的角就是“視差”,，它的角度可以通過這顆恒星在背景星空中的位移計算出來,，在此之后，科學家就可以通過三角函數計算出這顆恒星與地球的距離,。

由于距離越遠“視差”就越小,，因此三角視差法是有很大局限的，通常來講,，這種方法只適合測量100秒差距（約326光年）以內的天體距離,。那對于更遠距離的天體，又應該怎么辦呢,？

我們知道,，對于同一個發(fā)光體來講，它距離我們越遠,，在我們眼中就越暗淡,，其實這個規(guī)律也適用于宇宙中的那些發(fā)光的天體，比如說恒星,。

在天文學中用“絕對星等”來描述恒星的真實發(fā)光本領,，用“視星等”來描述我們所看到的恒星亮度，這兩者的關系可用公式“M = m + 5 x log10（d0/d）”來進行描述（注：公式中的M表示“絕對星等”,，m表示“視星等”,、d0為10秒差距（約32.6光年）、d為觀測者與目標恒星的距離）,。

也就是說,，科學家只需要知道一顆恒星的“視星等”以及它的“絕對星等”,，就可以根據上述公式計算出它與地球的距離,，其中“視星等”是可以直接測量的，而“絕對星等”則可以通過觀測恒星譜線的強度或寬度差異,，再結合“赫羅圖”進行估算,。

值得注意的是，宇宙中有一些特殊天體的“絕對星等”是非常有規(guī)律的,，其中最具代表性的就是“造父變星”和“Ia型超新星”,。

顧名思義,，“造父變星”就是一種亮度會發(fā)生變化的恒星，根據科學家的觀測,，這種恒星的亮度會發(fā)生周期性的變化,，并且其發(fā)光總量與光變周期存在著嚴格的線性關系。也就是說,，我們只需要測量出一顆“造父變星”的光變周期與它的“絕對星等”的關系,，就可以將這個規(guī)律推廣到和它同類型的所有“造父變星”。

幸運的是,，“造父變星”在宇宙中普遍存在,，即使在地球100秒差距之內，也存在著這樣的恒星,，所以我們就可以先測量出距離地球較近的“造父變星”的“視星等”,，然后通過三角視差法計算出它們與地球的距離，再通過前面提到的公式,，就可以計算出它們的“絕對星等”了,，接下來，我們只需要持續(xù)觀測,，就可以得到它的光變周期與它們的“絕對星等”的關系,。

在此之后，我們就可以通過觀測分布在宇宙中的那些遙遠的“造父變星”的光變周期,，再結合它們的“視星等”,，就可以計算出它們與地球的距離，然后再以這些“造父變星”與地球的距離為“標尺”,，就可以得知在它們附近的其他天體與地球的距離了,，正因為如此，“造父變星”也被科學家稱為“量天尺”,。

“Ia型超新星”則是一種特殊的超新星,，它們通常出現在宇宙中的那些雙星系統(tǒng)。

如果宇宙中某個雙星系統(tǒng)中的一顆恒星演化成了巨星,，另一顆恒星演化成了白矮星,，并且兩顆恒星的距離足夠近，那么致密的白矮星就會不斷地吸收松散的巨星的物質,，隨著這個過程的持續(xù),，當白矮星的質量達到1.44倍太陽質量的時候，其自身的重力就會引發(fā)失控的熱核反應,，進而發(fā)生超新星爆發(fā),。