正因?yàn)檫@種方法受到的限制比較多,所以我們常用的是另外一些方法,比如視差法測(cè)距。
我們剛才說(shuō),同樣的東西放到不同的位置,看起來(lái)有不同的大小。還有一個(gè)現(xiàn)象,比如拿出一根手指,閉上左眼看和閉上右眼看,會(huì)發(fā)現(xiàn)手指的位置變了。原因在于左眼和右眼所處的位置是不一樣的,所以看到的方位也是不一樣的。又比如,左邊放一個(gè)相機(jī),右邊也放一個(gè)相機(jī),兩個(gè)相機(jī)拍出來(lái)的景物因?yàn)榻嵌鹊牟煌煌?。而且最重要的是,看近處的物體和看遠(yuǎn)處的物體也有不同。當(dāng)手指離自己較近時(shí),分別閉上左右眼,看到的位置差別較大。而當(dāng)手指離自己較遠(yuǎn)時(shí),這個(gè)差別就會(huì)變小。實(shí)際上這也是我們判斷距離的一個(gè)方法,叫做視差。
根據(jù)視差的大小,可以把距離測(cè)出來(lái),這是一個(gè)很重要的原理。這個(gè)原理也應(yīng)用于相機(jī)的圖像處理方面。視差和距離的關(guān)系在天文學(xué)中非常重要,沒(méi)有視差這個(gè)工具,天文學(xué)幾乎寸步難行。
我們舉一個(gè)更具體的例子,在火車?yán)锘蚱嚴(yán)锍巴饪?,很明顯的感覺(jué)是近處的景物在飛速往后退,遠(yuǎn)處的景物卻不怎么變。從視差的角度來(lái)看,就比較容易理解了。在火車或汽車?yán)飼r(shí),我們不斷變動(dòng)位置,近處的景物視差大,位置變動(dòng)也大,遠(yuǎn)處的景物視差小,位置變動(dòng)也比較小。這是關(guān)于視差的一個(gè)直觀感受。
月球和太陽(yáng)看起來(lái)一樣大的原因在于月球離我們近,太陽(yáng)離我們遠(yuǎn)。而在沒(méi)有激光測(cè)距之前,我們是怎么知道這一點(diǎn)的?就是利用視差來(lái)測(cè)距的。
以前,我們會(huì)在金星凌日的時(shí)候?qū)⒌厍虻教?yáng)的距離間接測(cè)出。金星凌日時(shí),會(huì)在日面出現(xiàn)一個(gè)黑點(diǎn),這個(gè)黑點(diǎn)就是金星。通過(guò)在地球的不同方位看金星在日面上的位置,利用視差法,可以得出地球到金星的距離。再利用一些幾何關(guān)系,就可以得出地球到太陽(yáng)的距離?,F(xiàn)在測(cè)量地球到金星的距離已經(jīng)不需要再等到金星凌日了,我們可以用微波的辦法,先發(fā)射一個(gè)射電波,再通過(guò)返回來(lái)的時(shí)間差就可以得出了。
有了地球到太陽(yáng)的距離,又知道太陽(yáng)的角尺度,就可以測(cè)出太陽(yáng)的大小。太陽(yáng)和我們所知道的其他行星相比要大得多。如果按真實(shí)比例畫圖的話,太陽(yáng)要占據(jù)很大的面積,而地球可能比玻璃珠還要小。所以,太陽(yáng)是非常大的。如果我們要按比例做一個(gè)太陽(yáng)系模型的話,比如把太陽(yáng)規(guī)定為一個(gè)直徑幾十米的球,按照這個(gè)比例布置下來(lái),太陽(yáng)系最遠(yuǎn)的天體可能要到900公里以外的地方。
通過(guò)比例關(guān)系,現(xiàn)在我們知道了太陽(yáng)系的大小。人類探測(cè)器能到達(dá)的最遠(yuǎn)的地方有多遠(yuǎn)?我們通過(guò)取對(duì)數(shù),將地球到太陽(yáng)的距離定義為1個(gè)天文單位,這個(gè)距離是1.5億千米。而我們能探測(cè)到的最遠(yuǎn)距離是100個(gè)天文單位,即地球和太陽(yáng)間距離100倍的地方。這個(gè)范圍甚至沒(méi)有離開(kāi)太陽(yáng)系。所以,我們可能在近幾十年的時(shí)間里都沒(méi)有辦法直接放一個(gè)探測(cè)器到其他恒星。
既然不太可能直接測(cè)量其他恒星,那么采用視差法測(cè)距或者標(biāo)準(zhǔn)尺測(cè)距就非常有必要了。畢竟測(cè)量距離是天文學(xué)研究的基礎(chǔ)。
太陽(yáng)系里面有什么天體呢?除了我們知道的八大行星以外,還有柯伊伯帶里面的很多小天體,能形成慧星的慧星體,再往外還有奧爾特云。我們能知道這些,都是基于距離的測(cè)量。
三、認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的周邊恒星
太陽(yáng)系并不是唯一一個(gè)有行星的系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)在的研究,我們可以猜測(cè)得出,幾乎每一顆恒星周圍都有行星。有些行星很大,比目前已知的太陽(yáng)系最大的行星——木星還要大,也有比地球小的行星。其他恒星周圍的行星系統(tǒng),也和太陽(yáng)系一樣,會(huì)圍繞恒星轉(zhuǎn),有些軌道和地球的軌道差不多大,也有些行星的軌道非常小,有些行星上可能還會(huì)存在液態(tài)的水。這也是我們目前研究或者尋找系外行星一個(gè)重要的方向??偠灾?,行星系統(tǒng)是多種多樣的。
我們剛才指出太陽(yáng)是非常大的,但其實(shí)和其他恒星相比,太陽(yáng)就是一個(gè)“小不點(diǎn)”。比如,天狼星、心宿二都要比太陽(yáng)大。我們?cè)趺粗肋@些天體有多大呢?除了剛才講到的利用角尺度測(cè)出距離以外,還有其他方法。
這就不得不提到赫羅圖。我們?cè)跍y(cè)量了很多恒星以后,結(jié)合已知的少數(shù)恒星的質(zhì)量和半徑的關(guān)系,單位時(shí)間發(fā)出能量的關(guān)系,可以畫一張圖。橫坐標(biāo)是表面溫度,縱坐標(biāo)可以理解為絕對(duì)亮度。在赫羅圖上可以清晰地看出很多恒星位于一條帶里,這條帶叫做主序帶。主序帶里面的恒星可以根據(jù)模型算出大小。主序帶里的恒星大小相近,一些巨大的恒星都是恒星演化到后期的狀態(tài),比如,紅巨星和紅超巨星。
同樣,視差法也可以應(yīng)用于對(duì)恒星的距離測(cè)量。我們都站在地球上,怎么能在不同的方位觀測(cè)同一個(gè)天體呢?實(shí)際上,我們并沒(méi)有站在同一個(gè)地方,因?yàn)榈厍蛞恢崩@著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。比如,夏天的時(shí)候,我們站在軌道的一邊,冬天的時(shí)候,我們就在軌道的另一邊了。所以,完全可以從不同的方向觀測(cè)同一顆恒星,再根據(jù)視差的大小計(jì)算出距離。如果我們看到那顆星的視差角是一個(gè)角秒的話,這顆星與我們的距離就定義為一個(gè)秒差距。一個(gè)秒差距是3.26光年。這是一個(gè)比較直觀的定義。一個(gè)角秒對(duì)應(yīng)的視差距離叫做一個(gè)秒差距,從字面上也是很容易理解的。
現(xiàn)在我們知道了主序恒星的亮度信息,只要從一些比較容易測(cè)量的恒星入手,將其分好類,就能大概知道絕對(duì)亮度的信息。這就衍生出了一個(gè)新的測(cè)距方法,叫做標(biāo)準(zhǔn)燭光測(cè)距法。比如,我有一根蠟燭并已知它的絕對(duì)亮度,放到近處的時(shí)候,它就會(huì)亮一點(diǎn),放到遠(yuǎn)處的時(shí)候,它就會(huì)暗一點(diǎn)。我可以根據(jù)這個(gè)明暗變化計(jì)算出距離。
這里我們總結(jié)一下三種測(cè)距方法。第一種是標(biāo)準(zhǔn)尺的方法,即把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺放到不同遠(yuǎn)近的地方,根據(jù)不同的角尺度,計(jì)算距離。第二種是視差的方法,視差大距離近,視差小距離遠(yuǎn)。第三種就是標(biāo)準(zhǔn)燭光的方法,在已知標(biāo)準(zhǔn)亮度的前提下,根據(jù)明暗測(cè)算距離。結(jié)合這些方法,我們可以把太陽(yáng)周圍恒星的距離都測(cè)算出來(lái),進(jìn)而算出其大小。
那么,在更大尺度范圍內(nèi),太陽(yáng)系周圍有什么呢?還有一些星團(tuán)、恒星形成區(qū)、分子星云,等等。
四、認(rèn)識(shí)銀河系
雖然恒星多種多樣,但都很明顯的集中分布于一條帶中。這條帶就是銀河。弗里德里希·威廉·赫歇爾是第一位通過(guò)恒星計(jì)數(shù)得出銀河系中恒星分布為一個(gè)扁平圓盤狀結(jié)構(gòu)的天文學(xué)家。這個(gè)結(jié)構(gòu)是從側(cè)面看,銀河系是一個(gè)扁扁的盤狀星系?,F(xiàn)在我們能大致構(gòu)建出銀河系的正面模型。雖然我們身處其中,無(wú)法直接從正面觀察銀河系,但從正面看,銀河系中有多條旋臂,中間有一個(gè)“棒”,所以銀河系是棒旋星系。
銀河系里有什么呢?旋臂上有很多明亮的部分,這些明亮的小點(diǎn)是星團(tuán),或者是一些很明亮的大質(zhì)量恒星。暗的區(qū)域是分子云,或者是分子云里面的塵埃遮擋住了星光。從側(cè)面看,銀河系中的一些“暗條”就是塵埃,對(duì)應(yīng)的模型是暗的分子云,但從正面看,這些分子云分布在旋臂里面。
銀河系里一些小的結(jié)構(gòu)是星團(tuán)。比如M13,這是一個(gè)球狀星團(tuán)。很多恒星聚在一起形成了一個(gè)球狀的東西,就叫做球狀星團(tuán)。有的球狀星團(tuán)中的恒星數(shù)多達(dá)數(shù)百萬(wàn)顆。還有一些由年輕恒星組成的星團(tuán),比如昴星團(tuán),它的寬度大概是13個(gè)光年,比太陽(yáng)系大多了。
更年輕的天體結(jié)構(gòu)是分子云。分子云是恒星誕生的地方。比如金牛座分子云,寬度是20個(gè)秒差距,比昴星團(tuán)還大。金牛座分子云里有一些云核,里面正在形成恒星。
銀河系里的恒星數(shù)量非常多,大概有千億顆。這些恒星有不同的質(zhì)量,不同的大小,也有不同的命運(yùn)。比如,質(zhì)量最小的那些恒星可以存在很長(zhǎng)時(shí)間,壽命比宇宙的年齡都要長(zhǎng),它們會(huì)一直保持幾乎不變的狀態(tài),一直存在。質(zhì)量稍大的恒星,比如太陽(yáng),最終會(huì)演化成紅巨星或紅超巨星。這些紅超巨星會(huì)演化成行星狀星云,并在中間形成白矮星。在8倍太陽(yáng)質(zhì)量到25倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的恒星,最終會(huì)演化成比紅超巨星還要稍微大一點(diǎn)的超巨星。這種星最終會(huì)經(jīng)歷超新星爆發(fā),形成中子星。質(zhì)量更大的恒星,在超新星爆發(fā)后會(huì)形成黑洞。不同的演化在銀河系里留下了不同的天體,比如,行星狀星云、白矮星、超新星遺跡、中子星,以及黑洞。
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