科學有道理:科學家如何測太陽系外恆星的距離?

大家好,“科學有道理”系列,我們已經介紹了很多,不知道大家是否還記得。我們介紹了測量地球質量的方法、測量地球直徑、日地距離以及太陽系其他行星距離的方法。其中,我們用到最多的,就是三角函式。

在測量地球直徑和日地距離的過程中,科學家們無一例外都利用了三角函式,透過構建三角形,透過巧妙的方法測出其中某些角度和邊長,最終求出了這些看起來“根本無法測量”的資料。

今天,我們依然要利用三角函式,測出比太陽系更遠天體——系外恆星的距離。

科學有道理:科學家如何測太陽系外恆星的距離?

你可能還記得,科學家當初測量日地距離的方法,是金星凌日的方法。不過,這個方法顯然不適用於其他恆星的距離測量,因為它們太遙遠了,那時候人類根本不知道它們還能有行星,更不用說觀測凌日了(當然,即使能觀測,這也不是測量系外恆星距離的辦法)。

網路上有一句話說得好:千萬不要走得太遠,忘了為什麼出發。換在這裡就是:千萬別隻顧著用方法,忘了當初為何要用這個方法。

我們為何要用金星凌日的方法來計算日地距離呢?首先是因為太陽過於遙遠,即使在地球的兩端觀測來形成夾角,都只能得到一個極小的角度,任何微小的偏差都會導致巨大的計算錯誤,而且太陽隨時在移動,兩個人的觀測時間有一點點差別就會導致很大的誤差。所以,科學家不得不利用金星來構建三角函式,間接計算日地距離。

科學有道理:科學家如何測太陽系外恆星的距離?

同樣的,系外的恆星距離更加遙遠,我們無法站在地球的兩端觀測形成夾角來計算距離。想要增大三角形的某個角度,最好的辦法,就是增加其對邊的長度,也就是我們測量地點的距離儘量拉大。

問題在於,對於當時的人來說,就算跑得再遠,不是還在地球上嗎?

話說的沒錯,可是別忘了,地球也在“跑”啊!

只要我們等到地球在公轉軌道上“跑”得足夠遠,那就可以把對角拉得足夠大,如此就能計算天體距離了。

顯然,地球在公轉軌道上跑得最遠的兩個位置,就是連線穿過太陽的位置。換句話說,也就是隔上半年觀測一次,就可以了。只要科學家觀測某顆恆星在夜空中的位置,半年後同一個時間再觀測一次,就會得到一個夾角。接下來,再找到一個邊,透過簡單的三角函式計算,就很容易了。

科學有道理:科學家如何測太陽系外恆星的距離?

那個邊,也不難找,所用到的,正是上一期我們介紹的日地距離。因為時隔半年,地球的位置變化就是在太陽的兩端,也就是兩倍的日地距離,大概是3億公里。

就這樣,科學家們計算出了很多天體的距離。這個方法,叫做三角視差法。

(可能還有些萌萌的朋友會納悶:為什麼測量太陽的距離不用這個辦法。如果你這麼問,顯然你已經蒙圈了,因為這個方法要求日地距離是已知條件,顯然不能用“自己”來計算“自己”的數值)

同時,他們利用這個方法,又發明了一個比光年還長的長度單位:秒差距。以日地距離為基礎觀測夜空,形成1秒的角度的位置,到我們的距離就是一個秒差距。計算下來,1秒差距大約等於3。26光年。

科學有道理:科學家如何測太陽系外恆星的距離?

不過,三角視差法雖然巧妙,卻有一個侷限,那就是隻能測相對比較近的恆星的距離。一般來說,100光年就是這個方法適用範圍的極限了。而我們的宇宙,直徑至少有940億光年。

就像我們剛才說的,即便是為了測這些相對比較近的恆星的距離,就已經不得不利用地球在太陽兩端的位置構建三角形。所以,如果想用三角視差法測量更遠天體的距離,我們就要飛出地球,甚至飛到太陽系以外去測量了。

顯然,這是不現實的。

如果我們想要測量更遠天體的距離,難道就沒有辦法了嗎?

也不是,只是我們已經不能侷限於三角函數了。

那麼,科學家找到了什麼新的辦法來測量呢?我們下一期再介紹。

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