太空僧
夜宿山寺
〔唐〕李白
危楼高百尺,手可摘星辰。
不敢高声语,恐惊天上人。
诗人李白在夜游寺庙的时候,不由赞叹寺庙楼阁高耸入云,人站在山寺之上,与夜空是如此之近,仿佛伸手就可以摘到星辰,都不敢大声说话,怕惊动了住在天上的神仙。
当然了,这只是诗人夸张的修辞手法,百尺高楼也不过几十米,离星星还远着呢。如今我们知道恒星的距离动辄以光年计,那你是否好奇过如何确定到一颗星星有多远呢?
怎幺知道星星有多远?
对于身边的物体,我们可以用尺子测量其长度,对于月球,我们可以通过激光测距,对于太阳系内的土星,我们可以用雷达测距,但如果想测得那些遥远的恒星的距离,这些办法都派不上用场。天文学家首先想到的,就是利用“视差法”。
公转轨道上的“视差”
找一个距离你几米的物品,竖起大拇指放在眼前,然后交替闭上左右眼,观察大拇指和物品的相对位置。是不是发现左右眼看到的拇指位置不一样?并且拇指离双眼越近,左右眼看到拇指相对于物品的偏移就越大,离得越远,拇指的偏移就越小。这是由于我们的两眼之间有距离,看向大拇指的方向就有差别。如果测出偏移的距离,加上眼睛到拇指的距离、双眼间距都是已知的,就能通过一些简单的计算估测出远处物品的距离。战争片中就常有迫击炮手竖起拇指测算目标距离的镜头。
在天文观测中也是如此。为了测得附近某颗恒星的距离,我们需要在两个相距足够远的地点来观察它。对于地球上的望远镜来说,相距最远的观测距离不是地球的直径,而是地球公转轨道的直径。只需等待6个月的时间,在地球位于太阳两侧时各拍一张星场的图像,就能有效地利用3亿千米的“眼距”,观测较近星体相对于更远背景的偏移量(即“周年视差”),就能计算出银河系内较近恒星的距离。
太阳系之外的所有恒星,偏移的角度都极小,多以“角秒”(一度的3600分之一)为单位,视差为1角秒的恒星,它的距离被称作“1秒差距”,相当于3.26光年,或者地球到太阳距离的20多万倍。比如天狼星,它距地球约为2.64秒差距,对应的就是约8.6光年的距离。
到达地球的星光
前面提到过,天体的距离越近,视差越大,反之则越小。对于那些距离极其遥远的、动辄以几亿光年计的星体来说,地球公转轨道能提供的视差杯水车薪,依靠视差来测算距离十分困难。怎幺办?天文学家思考,是否能通过望远镜中恒星的亮度来推测它的距离呢?
我们都知道,金星之所以肉眼看起来比大部分恒星更亮,是因为金星离我们更近。你也一定有这样的生活经验,暗夜中的同一根蜡烛,在远处光很昏暗,越靠近光越明亮。蜡烛的实际亮度并没有改变,只是观察距离变了。那幺,只要知道蜡烛本身的亮度,以及它看上去的亮度,就能靠某种计算方法,推测出蜡烛有多远了。
在天文学中,我们把恒星本身发光的亮度称为“绝对星等”,把星光到达地球时我们看到的亮度称为“视星等”。视星等直接用望远镜就能观测,绝对星等怎幺得知呢?
经过不断探索,天文学家终于发现了一类被称为“造父变星”的天体,它的亮度会呈周期性的明暗变化,且这种变化的速度和它的实际亮度直接相关。你可以想象一个会呼吸的气球,当它膨胀时会变得更亮,当它收缩时会变得更暗,从最亮变到最暗,然后再变回最亮所需的时间,就是一个周期,相当于一次呼吸。“呼吸”周期越长,表示这颗造父变星的实际亮度越亮。
这样一来,“亮度”问题就转化为了可以观测的“周期”问题。我们只需测量某颗造父变星亮度变化的周期,就可以推算出它实际有多亮,再用它看上去的亮度一比对,天文学家就有办法算出它的距离,也就知道了和它同在一个星系的其他恒星的大致距离了。
除了造父变星,天文学家还会利用新星、球状星团、行星状星云和超新星等的亮度来推测它们与地球间的距离。
星星颜色的秘密
对于那些更加遥远的星星,我们还可以利用它们发出的光谱来探索它的距离,毕竟光是我们得到的最直白的信息,当然要物尽其用了。
你或许了解过宇宙大爆炸,该理论认为我们的宇宙处于不断膨胀的状态,所有的星系都在彼此远离,相距越远的星体远离的速度越快。当某个遥远星系远离我们时,光所穿过的空间不断膨胀,像拉橡皮筋一样把光线不断拉长,使得到达地球的光线的波长变得更长,本来黄色的光变成了橙色,本来红色的光变成了看不到的红外线,这便是所谓的“红移”现象。
星体红移的程度,可以通过望远镜观测到的星体光谱测量出来。有了这个测量结果,科学家就可以判断该星体远离我们的速度有多快。前面说过,星体远离的速度越快,证明相距越远。可以说,红移是目前人类掌握的宇宙中最长的“量天尺”。
截至目前,通过红移法测得的最遥远的恒星,是一颗名为Earendel(意为晨星,编号WHL0137-LS,红移6.2)的恒星①。哈勃太空望远镜在红外波段下幸运地捕捉到了它,詹姆斯·韦布望远镜在大质量星系团WHL0137-08造成的引力透镜的加持下,进一步测量了这颗亮度约为太阳的100万倍的恒星的红移量。通过计算得知,Earendel诞生于大爆炸仅10亿年后,也就是说,它距离地球达280亿光年之远。