科学家是怎么计算天体离地球有多远的？动辄成千上万光年，靠谱吗

科学家告诉我们，虽然宇宙中的天体数量多得难以计数，但是天体在宇宙空间中的分布却非常稀疏，以至于其他天体与地球的距离动辄就是成千上万光年。相信大家在对此表示感叹之余，不免也会有点将信将疑，天体与地球的距离到底是怎么计算的？靠谱吗？

实际上，已知天体的距离都是通过多种科学方法得出来的结果，并非拍拍脑袋就给出来的数据，从整体上来看，这些数据都是比较靠谱的。下面我们就以从近到远的顺序来简单介绍一下，科学家是怎么计算天体离地球有多远的。

对于距离地球较近的天体来讲，三角视差法是科学家最常用的测距方式，为了方便理解，我们不妨来做个小实验。

如果你在视野较为开阔的情况下伸出大拇指，并把胳膊平举在自己的面前，然后再分别闭上左眼和右眼进行观察，那么你就会发现，你的大拇指相对于较远处的背景划过了一个角度，这个角度就被称为“视差”。

在这种情况下，你只要测量出这个“视差”的角度，以及你两只眼睛之间的距离，就可以通过三角函数计算出你的大拇指与你的双眼的距离了。

同样的道理，地球一直在围绕着太阳公转，每公转一圈就是一年，这就意味着，在不同的时间点，地球在空间中的位置是在变化的，如果我们在地球上观察同一个天体，也会存在“视差”。

比如说我们在1月的时候记录好一颗恒星在背景星空中的位置，然后在7月的时候再记录这颗恒星在背景星空中的位置，将两者进行对比之后就可以得到一个三角形。

如上图所示（注：实际情况没这么夸张），这个三角形的底就是地球公转轨道的直径，也就是2天文单位，它所对的角就是“视差”，它的角度可以通过这颗恒星在背景星空中的位移计算出来，在此之后，科学家就可以通过三角函数计算出这颗恒星与地球的距离。

由于距离越远“视差”就越小，因此三角视差法是有很大局限的，通常来讲，这种方法只适合测量100秒差距（约326光年）以内的天体距离。那对于更远距离的天体，又应该怎么办呢？

我们知道，对于同一个发光体来讲，它距离我们越远，在我们眼中就越暗淡，其实这个规律也适用于宇宙中的那些发光的天体，比如说恒星。

在天文学中用“绝对星等”来描述恒星的真实发光本领，用“视星等”来描述我们所看到的恒星亮度，这两者的关系可用公式“M = m + 5 x log10（d0/d）”来进行描述（注：公式中的M表示“绝对星等”，m表示“视星等”、d0为10秒差距（约32.6光年）、d为观测者与目标恒星的距离）。

也就是说，科学家只需要知道一颗恒星的“视星等”以及它的“绝对星等”，就可以根据上述公式计算出它与地球的距离，其中“视星等”是可以直接测量的，而“绝对星等”则可以通过观测恒星谱线的强度或宽度差异，再结合“赫罗图”进行估算。

值得注意的是，宇宙中有一些特殊天体的“绝对星等”是非常有规律的，其中最具代表性的就是“造父变星”和“Ia型超新星”。

顾名思义，“造父变星”就是一种亮度会发生变化的恒星，根据科学家的观测，这种恒星的亮度会发生周期性的变化，并且其发光总量与光变周期存在着严格的线性关系。也就是说，我们只需要测量出一颗“造父变星”的光变周期与它的“绝对星等”的关系，就可以将这个规律推广到和它同类型的所有“造父变星”。

幸运的是，“造父变星”在宇宙中普遍存在，即使在地球100秒差距之内，也存在着这样的恒星，所以我们就可以先测量出距离地球较近的“造父变星”的“视星等”，然后通过三角视差法计算出它们与地球的距离，再通过前面提到的公式，就可以计算出它们的“绝对星等”了，接下来，我们只需要持续观测，就可以得到它的光变周期与它们的“绝对星等”的关系。

在此之后，我们就可以通过观测分布在宇宙中的那些遥远的“造父变星”的光变周期，再结合它们的“视星等”，就可以计算出它们与地球的距离，然后再以这些“造父变星”与地球的距离为“标尺”，就可以得知在它们附近的其他天体与地球的距离了，正因为如此，“造父变星”也被科学家称为“量天尺”。

“Ia型超新星”则是一种特殊的超新星，它们通常出现在宇宙中的那些双星系统。

如果宇宙中某个双星系统中的一颗恒星演化成了巨星，另一颗恒星演化成了白矮星，并且两颗恒星的距离足够近，那么致密的白矮星就会不断地吸收松散的巨星的物质，随着这个过程的持续，当白矮星的质量达到1.44倍太阳质量的时候，其自身的重力就会引发失控的热核反应，进而发生超新星爆发。

“Ia型超新星”非常明亮，其亮度可与整个星系媲美，即使距离非常遥远，我们在地球上也可以观测到它们。

由于“Ia型超新星”总是发生在白矮星的质量达到太阳质量的1.44倍的时候，因此宇宙中所有“Ia型超新星”的“绝对星等”都是固定的，并且是可以计算的，所以科学家也将它们称为“标准烛光”，我们只需要测量出它们的“视星等”，就可以根据前面提到的公式计算出它们与地球的距离。

从理论上来讲，通过对上述方法的综合使用，可以测量100亿光年之内天体距离，如果距离超过了100亿光年，就需要通过测量天体的宇宙学红移来进行计算了。

观测数据表明，宇宙一直处于一个膨胀的状态，这会造成宇宙中的天体都会因此而具备一个互相远离的速度，这也被称为“退行速度”，对于宇宙中的两个点来讲，距离每增加1百万秒差距（约326万光年），“退行速度”就会增加67.8（±0.77）公里/秒。

正因为如此，那些非常遥远的天体都在以极快的“退行速度”远离地球，在这个过程中，它们向地球方向发出的光的波长就会变长，同时其频率也会相应地降低，这在光谱上表现为谱线向着红端移动了一段距离，这种现象就是所谓的“宇宙学红移”。

由于天体与地球的距离越远，“退行速度”就越快，其红移值也就越明显，因此我们只需要测量出某个遥远天体的红移量，就可以计算出它与地球的距离。

结语

总而言之，所谓的“天体与地球的距离动辄成千上万光年”，其实是科学家通过大量的实际观测数据，再结合相关的理论计算出的结果，虽然由于观测水平的限制，这可能会存在着一定的误差，但从整体上来讲，科学家给出的数据还是相当靠谱的。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

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关键词： 造父变星 绝对星等 光变周期

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