當我們仰望夜空，天空中群星閃爍，星河流淌，這如畫般的景象，好像觸手可碰卻又遙不可及。隨著天文望遠鏡的誕生，我們終於明白，那些如畫卷橫掛於天空的場景，其實是諸多遠近不一的星辰、星系所構成的，它們離我們無比遙遠，以至於我們連看到它們清晰的全貌都十分困難。你可曾想過，在如此廣袤無垠的宇宙中，那些離我們遠得難以用數字來形容的群星，我們是如何測出它們的距離的？
天文長度單位--光年
要測量天體間的距離，用傳統的長度單位在宇宙大尺度的距離上已經不能勝任了。光是我們已知宇宙中傳播速度最快的物質，真空中約每秒30萬公里，光在一年中傳播的距離大概是約九萬四千六百億公里，這段距離我們稱之為一光年，“年”是時間單位，但“光年”雖有個“年”字卻不是時間單位，而是天文學上一種計量天體時空距離的單位，所以聰明的科學家開始用光年來描述那些十分遙遠的距離。阿波羅宇航員用時四天登上了月球，而光從地球到月球只需要一秒鐘，另外，離太陽系最近的恆星--比鄰星，離我們有4.22光年遠，我們所在的銀河系的直徑大約是十萬光年，離我們最近的星系，仙女座星系，距離我們有250萬光年。我們有了天文長度單位，那那些被測量出的數字是怎麼來的？
三角視差測距法
每當我們抬頭看天空，我們所見的只是一個二維平面視圖，當你伸手指向某一顆星星時，你根本無法得知這顆星星離你到底有多遠，那麼天體物理學家們是如何得知距離的呢？對於離我們比較近的星體，我們只需要用三角視差來估算距離，這個理論很簡單，只需要做一個小實驗就能理解其原理。伸出大拇指放在面前，然後閉上你的左眼。現在閉上你的左眼，同時睜開你的右眼，你會發現你的大拇指好像移動了，但是相對拇指遙遠的背景裡的物體卻沒有動，這個理論同樣適用於看恆星的時候。但是恆星離我們的距離相比於我們胳膊的長度不知道長了多少倍，而且相對來說，地球也不是很大的星體，所以即使你在赤道兩邊用不同的望遠鏡觀測同一顆星體，你也很難看到這顆星體位置的移動。為了解決這個問題，我們改為觀察六個月內星體位置的移動，這個時間剛好是地球繞太陽軌道旋轉半周的時間，我們在夏天觀測恆星的相對位置，等到了冬天再觀測時，就像我們在用另外一隻眼睛在看它，離我們近的恆星似乎移動了位置，而遙遠距離的恆星和星系保持不動，但是此方法只適用於距離不超過幾千光年的天體。
標準燭光測距法
在我們的星系之外，其他的天體是如此之遠，以至於視差太小了，連最精密的儀器也無法測得。所以，我們必須找到別的辦法，這個辦法叫標準燭光測距法，標準燭光是天文學中，已經知道光度的天體，打個比方，如果你知道你自家燈泡的亮度，然後你讓別人拿著那隻燈泡向遠離你的方向走去，你知道你看到的燈泡的亮度，是以他走的距離的平方在減弱的，所以通過比較，你看到的燈泡的亮度，和燈泡的原始亮度，你可以計算出他距離你有多遠，應用到天文學中，你的燈泡就變成了一些特殊的天體，比如造父變星，這些星星的內部不是很穩定，就像一隻會呼吸的氣球，它們的亮度隨著膨脹和收縮而變化，我們可以通過它們膨脹收縮的週期來計算出它們的亮度，越亮的星星，這個週期越長，通過比較觀測到的這些恆星的亮度，和我們計算出來的它們原始的亮度，我們就可以知道它們距離我們有多遠，很遺憾，這個方法也有它的侷限性，用這個方法，我們只能測量到距離我們不超過4千萬光年的獨立恆星，超過這個距離的恆星會變得太模糊而無法分辨。幸運的是，我們還有另一種標準燭光，著名的LA型超新星，一種雙星系統形成的超新星爆發，也就是巨型恆星爆炸，是恆星死亡的方式之一，這些爆炸是非常亮的，它發生的時候可以照亮整個星系，所以即使我們無法分辨星系中獨立的恆星，我們還是可以看到超新星爆發，LA型超新星被證明是可以用的標準燭光，因為亮度較亮的超新星其亮度衰減的速率比較慢，憑藉我們對超新星的亮度和衰減速率關係的瞭解，我們可以用這些超新星來測量離我們幾十億光年遠的天體。
觀測的意義
我們為什麼要觀測如此遙遠的天體呢？回答這個問題要重新回到光的傳播速度上，光從太陽傳播到地球需要八分鐘，這就意味著，我們看到的太陽是八分鐘前太陽的樣子，當我們看北斗星時，我們看到的是北斗星80年前的樣子，那些朦朧的星系呢？它們距離我們數百萬光年，來自它們的光需要傳播數百萬年才能到達地球，所以我們的宇宙從某種程度上來說是一個內置時光機。我們看得越遠便越接近宇宙剛開始的樣子，天體物理學家們試圖通過研究宇宙的歷史，來解答我們是怎麼來的以及我們是從哪裡來的？宇宙不斷的以光的形式給我們發送信息，剩下的就等著我們來解讀。
本期的內容到這裡就結束了，大魚號和頭條號同名號同步發表，原創不易，喜歡的朋友可以關注，收藏，點贊，轉發或是留言到下方評論區，說出你不一樣的想法。
閱讀更多 量子觀察者 的文章
