量測星球距離的方法

量測星球距離的方法

12/15/2017

 

天文学家量測星球離地球的距離, 至少採用兩種方法:

 

(1)        三角幾何学法 (Parallax Method)

这方法早在幾千年前, 古希臘時期就己經在使用了。只要在300~ 400光年之內的星球, 其誤差还可以接受。至少可以用來和其它方法得到的數值做比对。

 

其过程是, 選定某天对準目標星球量測該星球和水平線的仰角 (Parallax angle, P1 )。过了半年, 再对該目標星球测量一次仰角 (P 2)。这時地球繞太陽走了半圈, 軌道直徑是3億公里。三角幾何很容易得到距離:

r=(360/(p1+p2)×2 兀r)×3 億公里。

我想地球軌道是橢圓形, 選擇兩點時, 也可以多選幾处测量以取平均值。但可能因為距離實在太遠, 这些誤差值或許都落在可接受的範圍之內。

 

顺便在此一提, 也是一種頗有趣的估算方法, 基於同樣的幾何原理, 只要利用你的姆指, 似乎也可以大約估算遠物之间的距離。比如說, 河对岸有一堡壘, 距離己测量是10公里, 將你的左手伸直, 拇指豎起來, 睜右眼闭左眼对準堡壘。然後, 睜左眼闭右眼, 這時拇指的位置所指的标把物離堡壘是距離的1/10, 即1公里。因為人體兩眼距離和手臂長的比例, 在誤差範圍內, 大約是固定的。

 

(2)        造父变星

一個已知100燭光的燈炮, 放置在遠端某處,測量它的亮度便可以推算距離。哈伯採用造父变星其光暗周期, 來推算絕对亮度。

 

(3) 光譜亮度比对法 (Luminosity Method)

首先测量星球的颜色光譜 (Spectrum). 由光譜推算星球真實亮度 (Actual Brightness). 將其比对在地球上量测到的亮度 (Apparent Brightness), 以此推算星球距離。这比較像直接测量法, 但似乎也是有不少变數, 比如說它必须是自身發光的星球, 否则被照的星球如月亮, 它的光可能不穩定,再說宇宙间有各式障礙物、黑物質…等等, 每顆星球受其影响程度不盡相同。所以天文学家利用以上兩種方法测量, 相輔相成。

 

宇宙之大, 遙遠的星球甚至要花億光年, 地球上的人類才看得見。相对而言, 太陽離地球颇近, 太陽的光線也要過8分鐘20秒才到達地球。也就是說, 太陽已經下山了8多分鐘後, 我们才看到它下山! 同理我们用哈伯望遠鏡看到宇宙中的可見星球, 那或許是幾千萬年前景象了, 搞不好一些星球已經毀滅不存在了!

 

數算星球的數目

1995年, 科学家使用哈伯望遠鏡的超深場鏡頭 (Ultra Deep Field) 估算出我们居住的銀河系 (Milky Way) 可能有1~3千億顆星球。

 

數算可見星系的數目, 还是使用極原始的方法。那就是望遠鏡对準天空某一角度, 經过數月的觀测, 數算那塊如邮票大的区塊有幾個星系, 假設宇宙是均勻分佈的, 然後乘以一個數字, 來估算整個天體, 結果可見星系約 3000座。

 

然而2003~2004年, 望遠鏡的鏡頭改善後, 再算有1萬座左右的星系。到了2012年, 再次改善使用極端深場的鏡頭 (XDF), 这下可嚇坯了, 居然算出1~2千億座星系! 可見星系的數目居然和銀河系的星球幾乎一樣多。

 

这些星系正以超光速, 快速遠離地球, 現在不算以後可能会越來越難算。以目前的技術可以看到大爆炸 (約四億五千萬年前) 時宇宙剛形成的景象。望遠鏡就像时光返迴的機器, 越好的望遠鏡看得越久遠, 也回到更早的歷史。目前大家都很期待新一代詹姆斯韋伯 (James Webb) 望遠鏡, 它將在2020年開始投入觀测, 据說按理論可以看到大爆炸前二億年的光景! 屆時或許人類对宇宙会有一個更新的了解。

 

詩人大衛在公元前1000年就發出驚嘆:「諸天述說神的榮耀；穹蒼傳揚他的手段。這日到那日發出言語；這夜到那夜傳出知識。無言無語, 也無聲音可聽。他的量帶通遍天下, 他的言語傳到地極。」(詩篇 19: 1~ 4)