天文学家的“尺子”（上）

□ 王宗穆

天文学家的“尺子”（上）

□ 王宗穆

夜空深邃而神秘，当你仰望星空，遥望着璀璨的繁星时，是否想过这样一个问题：星星离我们到底有多远呢？事实上，这个问题曾经困扰着无数天文学家，他们天天研究星星，却无法得知星星的距离，这就像你只能天天和你的好朋友打电话但却见不了面一样令人懊恼。问题的关键在于借助什么方法度量星星的距离。在地球上我们可以用尺子量物体间的距离，但是宇宙如此广阔，我们不可能真的造出一把尺子去量星星离我们有多远。幸好，经过天文学家们执着的努力，现在我们已经找到了很多把能测量星星距离的“尺子”，并用它们测出了无数星星的距离，而这些“尺子”一个比一个巧妙、神奇。那么，天文学家们的“尺子”究竟长什么样呢？

三角视差：最古老的尺子

先提一个看似不太相关的问题：为什么人有两只眼？这个问题好像有点可笑。不管怎样，让我们先做个试验。闭上你的眼睛，伸出你两只手的食指，让两根食指的指尖相对，再让两根食指分开，相隔一段距离。之后随便睁开一只眼，试着让两只食指的指尖相互接触。尝试几次之后你会发现，只用一只眼很难让两只手指的指尖靠在一起。睁开两只眼，再尝试一下，你会发现你可以很轻松地让两只手指靠在一起。现在你应该明白了：人如果只有一只眼睛，会很难感知物体的距离。只有同时具有两只眼才能很好地判断物体的远近。可见人有两只眼还是很有科学道理的呢！不过究竟为什么只有靠两只眼才好分辨物体的远近呢？

我们再做一个实验。伸出你的食指，让食指与你的眼睛处于同一高度。闭上你的左眼，睁着右眼，再闭上你的右眼，睁着左眼，就这样不停地闭来闭去，你会发现，食指与它后面的背景的相对位置在不断变化。用左眼看的时候，食指似乎偏向右；而用右眼看的时候，食指似乎偏向左。将食指与眼睛的距离拉大，你会发现这种相对位置的差别明显变小了。为什么会这样？你也许很快就能说出答案：因为人的左右眼是分开的，它们都是从各自的角度观察物体的，而距离越远的物体两只眼位置不同带来的影响就越小。这种现象称作“视差现象”。“长两只眼”的奥妙就在这里：由于两眼间有一定距离，人的左右眼获得的图像有一定的差异，而这种差异正是得知物体远近的秘密所在。大脑得到两眼送来的图像之后，会对图像进行加工，使两幅图像变为一幅，并根据两眼图像差异的大小得知物体各自的距离。正是大脑和眼睛的这种协作，我们才不至于犯分不清远近的可笑错误。

只有同时具有两只眼才能很好地判断物体的远近

视差确实很有意思，但和星星有什么关系呢？想象一下，地球绕着太阳沿着公转轨道转啊转，每个月在不同的位置。我们选择两个相对的月份——比如6月和12月。6月和12月地球在公转轨道上处于相对的位置，这两个位置就好比人的两只眼。我们在6月拍摄某颗星星的照片，在12月再拍摄同一颗星星的照片。之后，“大脑”——天文学家开始对比两张照片，他们发现星星在6月和12月相对于背景的位置有微小的差别，借助数学计算，天文学家们就能成功地获取星星的距离。这和人眼与大脑的协作几乎一模一样！由于在计算中要使用三角函数，所以这种方法称为“三角视差法”。在天文学家众多的尺子中，这是最准的尺子之一（能和它媲美的只有激光和雷达测距，而这两者只能用于太阳系内天体的测距），也是最古老的一把尺子，几百年前天文学家就会使用了。

获得星星距离的方法竟然就隐藏在我们的两只眼睛里，实在是令人难以置信！不过，三角视差法有一个巨大的缺陷：它只能测量近距离（数百光年内）天体的距离，而对于那些非常遥远的天体（如距离我们250万光年的仙女座大星系）则无能为力。原因在前面的实验中已经体现了出来：物体离我们越远，视差现象就越不明显。当物体非常遥远时，视差就难以发觉了。所以，当星星非常远时，我们无法观察到它的视差，也就无法计算它的距离。

左：三角视差法测量天体距离右：天体测距是天文学中重大而永恒的问题，对于天体很多性质的研究，都要基于已知天体距离这一点之上。

这可不太好，毕竟近距离的星星数量是很有限的。那么有没有什么方法能够测出遥远天体的距离呢？当然有，而且不止一种！但这些尺子的准确度都无法和三角视差法媲美，所以，在测量遥远天体的距离时，为了获得更准确的数据，天文学家们有时会同时采用好多把尺子，最后综合各种方法的结果，给出天体的距离。这些方法大多比较复杂，我们按照尺子的发现顺序选取其中的三种来看一下。

我们的大脑借助视差得知物体的距离，天文学家也借助视差计算天体的距离。由于观察点的改变，一个物体相对于远方背景的位置会发生移动。当从“A”点观察时，该物体看上去在蓝色方格的前面；当从“B”点观察时，该物体则移动到了红色方格的前面。

造父变星：新时代的“量天尺”

20世纪之后，随着天文学的快速发展，近距离的恒星已不能满足天文学家的胃口。他们更想知道遥远的星系、星团的距离，但三角视差对此无能为力。天文学家们开始寻找新的尺子。

在数不胜数的恒星之中，有一类恒星很特殊。它们的亮度会不断变化。天文学家称这类恒星为“变星”。变星也分很多类型，其中一种类型的变星很有趣，它们的质量和光度都很大，亮度会随着时间周期性地变化，一会儿高一会儿低，非常有规律（可以精确到秒）。这类变星称为“造父变星”，这个奇怪的名字来源于仙王座中的一颗恒星——造父一。它是最早被发现的这个类型的变星，所以天文学家用它的名字称呼同属于它这个类型的变星。

造父变星淹没在银河系和河外星系的星海之中，本来并不起眼。直到20世纪初，天文学家发现它们具有一个宝贵的性质：造父变星的光度变化周期与光度存在惊人的对应关系，光变周期越长，变星的光度越大，天文学家称之为“周光关系”。为了便于理解，可以想象造父变星是一个个不停闪烁的灯泡，这些灯泡的平均亮度都不一样。灯泡越亮，闪烁得就越慢（即周期越长）。正是这个有趣的现象，使得造父变星鹤立鸡群，成为天文学家的第二把尺子。

这是为什么呢？要搞懂这个问题，我们要先区分光度和亮度这两个概念。光度与亮度是不同的，光度是一颗恒星真实的发光本领，而亮度是离恒星有一段距离时观测者眼中恒星的发光强度，即要考虑距离影响。就像一堆篝火，紧贴着它时火是很亮的，这时我们看到的火的亮度可以理解为火的“光度”。但离火很远时却显得暗很多，这是因为火离我们更远了。此时看到的火光强弱就是在我们这个距离时篝火的亮度。亮度与光度直接的区别就是亮度涉及距离，而光度不涉及距离。在知道恒星光度和亮度的情况下，借助数学就能算出恒星的距离。现在来看天文学家们是怎样使用这把尺子的：如果天文学家想知道一个星系或星团的距离，首先他们会寻找星系或星团中的造父变星，之后他们会测量造父变星的光变周期与亮度，再使用周光关系计算出光变周期对应的造父变星的光度，最后根据亮度与光度算出造父变星的距离——这也就是星系或星团的距离。

（未完待续）

（责任编辑 张恩红）

在宇宙学和星系天文学中获得距离的几种重要方法都是以标准烛光做基础的，造父变星是星系天文学的首选，可测量数千万秒差距的距离。