科學家告訴我們，雖然宇宙中的天體數(shù)量多得難以計數(shù)，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(shù)據(jù)，從整體上來看，這些數(shù)據(jù)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(xiàn)，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(shù)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月的時候再次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(shù)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(jù)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(jù)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(xiàn)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)。

“Ia型超新星”非常明亮，其亮度可與整個星系媲美，即使距離非常遙遠，我們在地球上也可以觀測到它們。

由于“Ia型超新星”總是發(fā)生在白矮星的質量達到太陽質量的1.44倍的時候，因此宇宙中所有“Ia型超新星”的“絕對星等”都是固定的，并且是可以計算的，所以科學家也將它們稱為“標準燭光”，我們只需要測量出它們的“視星等”，就可以根據(jù)前面提到的公式計算出它們與地球的距離。

從理論上來講，通過對上述方法的綜合使用，可以測量100億光年之內天體距離，如果距離超過了100億光年，就需要通過測量天體的宇宙學紅移來進行計算了。

觀測數(shù)據(jù)表明，宇宙一直處于一個膨脹的狀態(tài)，這會造成宇宙中的天體都會因此而具備一個互相遠離的速度，這也被稱為“退行速度”，對于宇宙中的兩個點來講，距離每增加1百萬秒差距（約326萬光年），“退行速度”就會增加67.8（±0.77）公里/秒。

正因為如此，那些非常遙遠的天體都在以極快的“退行速度”遠離地球，在這個過程中，它們向地球方向發(fā)出的光的波長就會變長，同時其頻率也會相應地降低，這在光譜上表現(xiàn)為譜線向著紅端移動了一段距離，這種現(xiàn)象就是所謂的“宇宙學紅移”。

由于天體與地球的距離越遠，“退行速度”就越快，其紅移值也就越明顯，因此我們只需要測量出某個遙遠天體的紅移量，就可以計算出它與地球的距離。

結語

總而言之，所謂的“天體與地球的距離動輒成千上萬光年”，其實是科學家通過大量的實際觀測數(shù)據(jù)，再結合相關的理論計算出的結果，雖然由于觀測水平的限制，這可能會存在著一定的誤差，但從整體上來講，科學家給出的數(shù)據(jù)還是相當靠譜的。

好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關注我們，我們下次再見。

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