3.测量恒星的距离

定 义：用于测量从太阳系到其他恒星的遥远距离的技术。

发现历史：1838年，弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）首次使用视差法成功测量了恒星的距离。

关键突破：1989年发射的依巴谷卫星（High-Precision Parallax Collecting Satellite，高精度视差采集卫星）为我们带来了极高精度的视差测量。

重要意义：准确了解地球与恒星的距离对于了解它们的真实属性和我们在宇宙中的位置至关重要。

 

如何测量人类无法到达的遥远天体与地球之间的距离？为了理解银河系内外恒星和其他天体的真实分布情况，天文学家将我们日常生活中熟悉的测距原理发挥到了极致。

哥白尼革命发现了地球不是太阳系的中心，太阳才是。伴随着这场革命，人们也意识到夜空中的星星是我们太阳的同类，只不过它们到我们的距离遥远得令人难以想象。古希腊哲学家和中世纪伊斯兰教天文学家都曾经提出过这一想法，但是欧洲首位认真考虑它的人是意大利修道士和天文学家乔尔丹诺·布鲁诺（他因异端信仰在1600年被烧死）。到了17世纪末，这一想法被广泛接受，但天文学家仍面临一个主要问题——测量不出恒星的视差。

因为人眼具有立体视觉，所以视差对于大多数人来说并不陌生。视差是指从两个不同角度看近处的物体时，该物体相对远处背景的位置看起来有所移动的现象。对于今天的人类而言，它是一种重要的、在潜意识下使用的工具，用于手眼协调和距离测量，但是对于启蒙运动时期的天文学家来说，这就造成了一个问题——如果地球真的围绕太阳的巨大轨道运行，那么为什么星星的方向在一年中没有明显的变化呢？像第谷·布拉赫这样的天文学家就曾以此作为反对哥白尼体系的论据，但是当哥白尼体系被其他压倒性的证据支持之后，这一问题终于有了合理解释——测量不出视差意味着恒星比以前人们想象的更遥远。

“依巴谷卫星能够测量毫角秒水平的视差，将准确的距离测量扩展到地球周边约1 600光年内的数万颗恒星。”

视差的挑战

在整个18世纪，测量视差的尝试都遭遇了挫败。测量原理本身很简单：在相距3亿千米（1.86亿英里）的地球轨道两端的不同观测点，测量附近恒星相对于更为遥远的背景天体的视位置的变化，就可以使用简单的三角方法来估计恒星到我们地球的距离了。弄清楚哪些恒星在我们附近可能需要依靠猜测，但是识别某些在天空中移动相对较快的恒星（显示出较大的“自行”，编注：自行是指恒星和其他天体相对太阳系在垂直于观测者视线方向的角位移或单位时间内的角位移量）为我们提供了一个有用的线索。

18世纪20年代，英国天文学家詹姆斯·布拉德利（James Bradley）向视差测量迈出了重要的一步，他识别了除视差之外的可以引起恒星视位置变化的其他因素，这些因素可以掩盖视差本身的影响。然而，布拉德利所用仪器的精度仍然太差，无法测量到视差。直到19世纪30年代，几位才华横溢的观测者重新研究了这个问题并认真地加以解决。德国天文学家弗里德里希·贝塞尔花费了数十年来改进布拉德利的测量方法，以排除所有其他可能影响恒星位置测量的因素，并于1838年宣布成功地测量到双星天鹅座61（61 Cygni）的视差为0.314角秒（1角秒是1度的1/3 600或者约为满月直径的1/1 800）。以现代标准来看，这意味着天鹅座61距离我们10.4光年——这与11.4光年的现代测量值非常接近。在贝塞尔的工作之后，其他一些邻近恒星——半人马座阿尔法星和织女星（Alpha Centauri，Vega）的距离也迅速得到了估测，天文学家们开始使用秒差距（恒星表现出1角秒视差所对应的距离，相当于3.26光年）作为距离单位。

测量视差仍然是一个令人筋疲力尽的过程，整个19世纪只测定了几十个距离值。到了20世纪，灵敏的天文照相技术出现之后，天文学家们才不再需要借助目镜来测量恒星位置，第一次可以测量到大量的视差数据。然而，视差的影响是如此微小，以至于我们仍然只能对距离最近的那些恒星进行测量。

尽管有这些限制，视差仍然是我们测量宇宙距离尺度至关重要的第一步。通过对恒星距离的了解，天文学家能够计算出它们的亮度或者说光度（luminosity）。将不同恒星的光度和颜色或者其他光谱特征加以比较，他们发现了恒星分布的一种重要模式。 一旦天文学家们识别出这种模式，他们就可以反过来使用这个模式，通过恒星的光谱型和视亮度估计其固有的光度，进而估算出恒星之间的距离。

用视差法测量恒星距离依赖于测量附近恒星（1）视位置的变化。随着地球（2）在一年中从公转轨道的一端移动到另一端，恒星看起来相对于更遥远的背景天体（3）会有所移动。

太空时代的视差

视差测量仍然是测量恒星距离的唯一精确的方法。由于难以预测的影响，例如星际尘埃对光的吸收，其他测距方法总是有很大的误差。1989年，计算机成像和卫星技术的进步使得第一颗空间“天体测量”卫星得以发射，这就是欧空局（European Space Agency，简称ESA）的依巴谷卫星。依巴谷卫星运行在离地面几百到几千千米的椭圆轨道上，这使得灵敏的望远镜可以避免地球大气的模糊效应，从而精确测量恒星的位置。依巴谷卫星能够测量毫角秒（千分之一角秒）水平的视差，将准确的距离测量扩展到地球周边约1 600光年内的数万颗恒星，尽管这仅仅是整个银河系的一小部分。

于2012年发射的欧空局的“盖亚（Gaia）”任务将让我们看到视差技术的另一个巨大飞跃。在计划的五年任务中，“盖亚”卫星将测量10亿颗恒星的特征——记录它们的光谱、自行，当然也包括几百万分之一角秒精度的视差。来自该卫星的数据可以让天文学家们构建一个三维星图，范围可以一直延伸到银河系的中心，这个星图还包括对于以前的视差测量而言过于暗弱的数亿颗恒星。此外，“盖亚”的光谱测量将识别目标恒星的多普勒频移，揭示它们朝向或远离地球的径向运动，从而提供一个关于银河系运动的令人惊叹的视角（译注：“盖亚”卫星于2013年12月成功发射，已取得了大量观测数据和科学成果）。

 

这幅壮观的多波段图像揭示了星系NGC 5128的复杂本质，该星系更为人熟知的名字是半人马射电源A。紫色表示星系中心附近热气体发射的伽马射线，橙色表示射电波段的射电瓣。