街燈給天文學家的啟示

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阿盟說

上期的文章中，彭同學為大家介紹了如何利用左右眼的錯覺「視差」，來測量星星到我們的距離。考慮到一些人仍然不太明白視差是什麼，阿盟發布了對視差概念解釋得更詳細的文章《星星為什麼跟著我們跑》。如果你對視差還不清楚，最好的建議就是堅持閱讀《太空聯盟》的文章。

在開始本期的正文前，我們先揭曉下上期文末問題的答案，並由它介紹一個天文上的常用單位。

撰文：彭冠辰（英國曼徹斯特大學）

責編：寒凌旭

審校：鄭永春

上次說到，為了放大一顆星星的視差效應，我們只需要增加兩次拍照的距離就可以了。但是，這個距離是有上限的。有些讀者可能想到，既然如此，那我就不遠萬里，繞地球半圈，走到第一次拍照地點的地球另一面，這樣得到的視差應該是最大的了吧？（如圖1所示）

實際上，更有耐心的科學家選擇的不是走到地球的對面，而是等候半年時間，讓地球自己繞到太陽的另一側去，再拍攝第二張照片。這樣獲得的視差可比利用地球直徑得到的視差大得多了，而且是生活在地球上的我們能獲得的最大視差。為了突出它的與眾不同，天文學家叫它周年視差。

圖1：左圖為利用地球直徑產生的視差示意圖，

右圖為天文學中常用的周年視差與左圖視差的對比圖，

可以看出，周年視差要遠大於左圖的視差。

天文學家規定，周年視差為1角秒（1角度=3600角秒）的星星，與我們之間的距離為一個「秒差距」，記為1 pc。1 pc有多遠呢？形象地說，大家知道，光的運動速度最快，但是光走上3.26年的旅途才約等於1 pc。

有些讀者可能覺得奇怪，我們生活中的常用單位米不挺好的嘛，天文學家幹嘛要引入一個聽都沒聽過的秒差距作為單位啊？

圖2：周年視差與距離的關係。當視差角是角秒量級的小角度時，距離與周年視差成倒數關係。

就這樣，天文學家起初利用這種方法測量了大約12萬顆星星的距離，其中最遠的星星距離我們200 pc。儘管12萬顆星星已經是很了不起的數字了，但這不過是星辰大海中的一小勺而已。那麼，問題來了，怎樣才能測量得更遠呢？讀者可以想一想，哪個我們沒說到的地方還大有改進之處呢？就結果而言，21世紀的科技進步確實讓「視差法」更上一層樓，最遠能測量到10000 pc的星星（如圖3所示）。

圖3：三角視差法的觀測範圍示意圖。圖中白線旁的8000 pc是太陽繫到銀河系中心的距離。

黃線旁的10000 pc是視差法的測量範圍。

從上圖看到，儘管走到盡頭的視差法，讓我們邁出了相當大的一步，實際上卻連銀河系都尚未全面普查。如果你是為此苦惱不已的天文學家，一邊感嘆人類的渺小，一邊走在街燈璀璨的路上。這時，你會注意到一件很平常的事情：明明每個街燈安裝的都是60瓦的燈泡，可是近處的燈卻顯得那麼亮，越往遠處的燈卻依次暗了下去。因此，我們看到的燈亮度，不僅與它的功率有關，還與它的距離有關。正是這個細節，為科學家們照亮了那些「視差法」未能涉及的「黑暗區域」。

圖4：來自街燈的啟示

天文學家知道，天上絕大多數的星星都是像太陽一樣的恆星。而每一顆恆星其實與燈泡一樣，有自己的「瓦數」。為了正式一些，天文學家將這種與燈泡「瓦數」類似的、表示發光本領的物理量稱為」光度「。在進一步測量更遠星星的距離前，天文學家「本末倒置」地研究了之前距離已知的那12萬多顆星星，用它們的表觀亮度和距離得到了它們的光度，再仔細地研究每顆星星的光譜特徵，並把這些光譜特徵分為七大類。結果發現，有一類被稱為主序星的星星，它們的光譜特徵就與商品包裝上的條形碼一樣，與其光度存在很好的對應關係。

圖5：」主序星『牌「燈泡」及其對應光譜的」條形碼「

有一些看不出來周年視差的星星是可以分析出來光譜特徵的。如果它們又碰巧是主序星，那麼就可以用這種對應關係得出它們的光度，再與表觀亮度對比，經過換算就可以計算距離了。學界把這套分析光譜計算距離的方法稱為分光視差法。

等一下，為啥這種與「視差法」八杆子打不著的方法也叫XX視差法？在前文介紹中我們發現，「秒差距」單位制中距離與視差是簡單的倒數關係。結果時間一久，不那麼嚴謹的天文學家們就認為視差和距離就是一回事了。又加上視差法立下了測定12萬多顆星的距離的豐功偉績，就陰差陽錯地這樣命名了。

分光視差法又有多大本事呢？它可以測量到距離我們50000 pc的星星呢～

所以，科學家有時候就是這樣，解決重大問題的能力讓人佩服不已，在細節上反倒不拘小節，容易讓外人引起誤會了。