答：宇宙中的遙遠距離是如何測算的？

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空少問答

小課堂

第七十期

4

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16

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一

答：宇宙中的遙遠距離是如何測算的？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：宇宙中的遙遠距離是如何測算的？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，宇宙中的距離都太龐大了。1光年是光在一年走過的距離，也就是9460730472580800米。而宇宙中的尺度都是成千上萬光年的，比如最近的一些新聞，美國國家航空航天局（NASA）進行更精準距離測算的球狀星系NGC 6397距離地球是7800光年，而NASA近日觀測的最遠恆星距離地球則是90億光年。

距離我們最近的球狀星系NGC 6397，距離地球7800光年

那麼，這些宇宙中的遙遠距離是怎麼測算的呢？天文學家有幾種常用的測算方法。

比較近的距離往往選擇「視差法」。1938年，德國天文學家貝塞爾發表了這種方法。如下圖的示意圖所示，用照相的方法先記錄恆星相對於其周圍恆星的位置，然後6個月之後，再用照相的方法記錄該恆星的位置，而此時的地球已經繞著太陽運行到了軌道的另一側，相當於位置相差了2個日地距離（稱為「天文單位」，符號是AU），這個距離雖然在茫茫宇宙中並不大，但在我們所能感知的範疇內卻已經是非常遠的距離了。

視差法計算恆星到地球的距離

接下來就是簡單的解三角形。當這個三角形的角度p為一個角秒（1°的3600分之一）時，其到地球的距離記為秒差距（英文Parsec，縮寫pc），它也是天文學上的一種長度單位。這個單位比光年還大，1 秒差距約等於3.26光年，或約30.86萬億公里。

用這種方法測距離，結合使用地面上的望遠鏡，我們可以精確地測量50光年以內的恆星到地球的距離，50光年後的精度會迅速下降，而200光年之內，想要對距離做出合理的推測，還需要結合恆星的類型和年齡。用太空望遠鏡和一些專門的衛星，可以比較精確的測算到1000光年。

再大的距離可以使用「光譜法」估算。假定如果恆星有相同的溫度和光譜——這可以通過分析星光的譜線強度進行了解——它們本身的亮度應該是相同的，稱為本徵亮度，對應「絕對星等」。根據光學知識，同樣的本徵亮度，可視亮度和距離的平方成反比。那麼，因為我們計算過1000光年內的恆星的距離，可以推測可視亮度和距離的公式，所以一顆與它有相同絕對星等（也就是真實的亮度）、但是看上去較暗的恆星，應該離我們更遠，並且可以通過測量其亮度來計算距離。這種方法在大約32.6萬光年範圍內都相當好用，也是常用的方法，不過科學家也說這種方法普遍有10%-20%的誤差。

另一個高於1000光年之後的測算方法是藉助「造父變星」（Cepheid variables）來估計。「變星」的意思是這顆恆星的亮度與電磁輻射不穩定，經常變化並且伴隨著其他物理變化。而「造父變星」的本徵亮度和光度的規律性波動有關，比如本徵亮度較高的造父變星的變化周期更長，研究這些變化規律就能知道它的本徵亮度，然後套用上邊的方法推測其距離，如果一個星座的某顆星是造父變星，就知道這個星系的距離了。造父變星通常比太陽亮1000倍，藉助它可以估算5000萬光年的距離。

RS Puppis是銀河系的一顆著名的造父變星

其實，這次NASA公布的對7800光年外的NGC 6397的更精確的測量，就是用到類似的思路。NASA科學家管這次測量NGC 6397的方法叫「空間掃描」（spatial scanning），用哈勃太空望遠鏡的廣角相機測量了NGC 6397星團40顆恆星的視差，在2年間進行每6個月的對比測量，正如我們在「視差法」的部分中所講的那樣。他們認為因為自己測量了一群恆星，所以比測量單個的「造父變星」要更好。

至於更遠的距離，大多是利用「紅移」現象進行推算。「紅移」指的就是星星的星光的譜線波長變長（光波長由長到短是由紅色到紫色，所以紅移是變長、藍移是變短），而且光源星球遠離我們而去的速度越快、紅移就越厲害。現在理論認為，整個宇宙在膨脹當中，離我們距離越遠、遠離我們而去的速度越快，而哈勃定律給出了紅移與距離的關係公式，通過這種方式，我們能計算更加遙遠的距離。

留言區·精選

@勝利de雲

銀河系內用「周年視差法」，在相隔正好半年的兩天夜裡同一時間，在地球上同一地點觀察目標星體在天空中的位置，建立相似三角形推算出距離。觀察銀河系外的星系用「哈勃紅移法」，基本原理是哈勃紅移原理，但具體怎麼做我就不太清楚了。。。

@誠貫金石

三角視差法造父變星（標準燭光1）Ia型超新星爆發（標準燭光2）宇宙紅移

@dog

三角視差法、分光視差法、造父周光關係測距法、譜線紅移測距法。

@ 紅塵居士

利用紅移光譜分析

感謝大家的支持，我們下期再見！

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