太空僧

夜宿山寺

〔唐〕李白

危樓高百尺，手可摘星辰。

不敢高聲語，恐驚天上人。

詩人李白在夜游寺廟的時候，不由贊嘆寺廟樓閣高聳入云，人站在山寺之上，與夜空是如此之近，仿佛伸手就可以摘到星辰，都不敢大聲說話，怕驚動了住在天上的神仙。

當(dāng)然了，這只是詩人夸張的修辭手法，百尺高樓也不過幾十米，離星星還遠(yuǎn)著呢。如今我們知道恒星的距離動輒以光年計，那你是否好奇過如何確定到一顆星星有多遠(yuǎn)呢？

怎么知道星星有多遠(yuǎn)？

對于身邊的物體，我們可以用尺子測量其長度，對于月球，我們可以通過激光測距，對于太陽系內(nèi)的土星，我們可以用雷達(dá)測距，但如果想測得那些遙遠(yuǎn)的恒星的距離，這些辦法都派不上用場。天文學(xué)家首先想到的，就是利用“視差法”。

公轉(zhuǎn)軌道上的“視差”

找一個距離你幾米的物品，豎起大拇指放在眼前，然后交替閉上左右眼，觀察大拇指和物品的相對位置。是不是發(fā)現(xiàn)左右眼看到的拇指位置不一樣？并且拇指離雙眼越近，左右眼看到拇指相對于物品的偏移就越大，離得越遠(yuǎn)，拇指的偏移就越小。這是由于我們的兩眼之間有距離，看向大拇指的方向就有差別。如果測出偏移的距離，加上眼睛到拇指的距離、雙眼間距都是已知的，就能通過一些簡單的計算估測出遠(yuǎn)處物品的距離。戰(zhàn)爭片中就常有迫擊炮手豎起拇指測算目標(biāo)距離的鏡頭。

在天文觀測中也是如此。為了測得附近某顆恒星的距離，我們需要在兩個相距足夠遠(yuǎn)的地點來觀察它。對于地球上的望遠(yuǎn)鏡來說，相距最遠(yuǎn)的觀測距離不是地球的直徑，而是地球公轉(zhuǎn)軌道的直徑。只需等待6個月的時間，在地球位于太陽兩側(cè)時各拍一張星場的圖像，就能有效地利用3億千米的“眼距”，觀測較近星體相對于更遠(yuǎn)背景的偏移量（即“周年視差”），就能計算出銀河系內(nèi)較近恒星的距離。

太陽系之外的所有恒星，偏移的角度都極小，多以“角秒”（一度的3600分之一）為單位，視差為1角秒的恒星，它的距離被稱作“1秒差距”，相當(dāng)于3.26光年，或者地球到太陽距離的20多萬倍。比如天狼星，它距地球約為2.64秒差距，對應(yīng)的就是約8.6光年的距離。

到達(dá)地球的星光

前面提到過，天體的距離越近，視差越大，反之則越小。對于那些距離極其遙遠(yuǎn)的、動輒以幾億光年計的星體來說，地球公轉(zhuǎn)軌道能提供的視差杯水車薪，依靠視差來測算距離十分困難。怎么辦？天文學(xué)家思考，是否能通過望遠(yuǎn)鏡中恒星的亮度來推測它的距離呢？

我們都知道，金星之所以肉眼看起來比大部分恒星更亮，是因為金星離我們更近。你也一定有這樣的生活經(jīng)驗，暗夜中的同一根蠟燭，在遠(yuǎn)處光很昏暗，越靠近光越明亮。蠟燭的實際亮度并沒有改變，只是觀察距離變了。那么，只要知道蠟燭本身的亮度，以及它看上去的亮度，就能靠某種計算方法，推測出蠟燭有多遠(yuǎn)了。

在天文學(xué)中，我們把恒星本身發(fā)光的亮度稱為“絕對星等”，把星光到達(dá)地球時我們看到的亮度稱為“視星等”。視星等直接用望遠(yuǎn)鏡就能觀測，絕對星等怎么得知呢？

經(jīng)過不斷探索，天文學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了一類被稱為“造父變星”的天體，它的亮度會呈周期性的明暗變化，且這種變化的速度和它的實際亮度直接相關(guān)。你可以想象一個會呼吸的氣球，當(dāng)它膨脹時會變得更亮，當(dāng)它收縮時會變得更暗，從最亮變到最暗，然后再變回最亮所需的時間，就是一個周期，相當(dāng)于一次呼吸?！昂粑敝芷谠介L，表示這顆造父變星的實際亮度越亮。

這樣一來，“亮度”問題就轉(zhuǎn)化為了可以觀測的“周期”問題。我們只需測量某顆造父變星亮度變化的周期，就可以推算出它實際有多亮，再用它看上去的亮度一比對，天文學(xué)家就有辦法算出它的距離，也就知道了和它同在一個星系的其他恒星的大致距離了。

除了造父變星，天文學(xué)家還會利用新星、球狀星團(tuán)、行星狀星云和超新星等的亮度來推測它們與地球間的距離。

星星顏色的秘密

對于那些更加遙遠(yuǎn)的星星，我們還可以利用它們發(fā)出的光譜來探索它的距離，畢竟光是我們得到的最直白的信息，當(dāng)然要物盡其用了。

你或許了解過宇宙大爆炸，該理論認(rèn)為我們的宇宙處于不斷膨脹的狀態(tài)，所有的星系都在彼此遠(yuǎn)離，相距越遠(yuǎn)的星體遠(yuǎn)離的速度越快。當(dāng)某個遙遠(yuǎn)星系遠(yuǎn)離我們時，光所穿過的空間不斷膨脹，像拉橡皮筋一樣把光線不斷拉長，使得到達(dá)地球的光線的波長變得更長，本來黃色的光變成了橙色，本來紅色的光變成了看不到的紅外線，這便是所謂的“紅移”現(xiàn)象。

星體紅移的程度，可以通過望遠(yuǎn)鏡觀測到的星體光譜測量出來。有了這個測量結(jié)果，科學(xué)家就可以判斷該星體遠(yuǎn)離我們的速度有多快。前面說過，星體遠(yuǎn)離的速度越快，證明相距越遠(yuǎn)?？梢哉f，紅移是目前人類掌握的宇宙中最長的“量天尺”。

截至目前，通過紅移法測得的最遙遠(yuǎn)的恒星，是一顆名為Earendel（意為晨星，編號WHL0137-LS，紅移6.2）的恒星①。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在紅外波段下幸運地捕捉到了它，詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡在大質(zhì)量星系團(tuán)WHL0137-08造成的引力透鏡的加持下，進(jìn)一步測量了這顆亮度約為太陽的100萬倍的恒星的紅移量。通過計算得知，Earendel誕生于大爆炸僅10億年后，也就是說，它距離地球達(dá)280億光年之遠(yuǎn)。