旅行到时空边缘：冲出太阳系，揭开恒星世界的神秘

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第8章冲出太阳系利用日地距离这把量天尺，天文学家们迈向了恒星世界恒星是什么1600年2月17日，罗马鲜花广场上燃起了熊熊大火，52岁的布鲁诺被绑在广场中央的火刑柱上，瘦小的身躯在烈焰中挣扎着被吞噬。这无疑是一个好办法，但前提是要知道地球到太阳的距离，这个最基本的太空尺度，称为一个天文单位。倒霉透顶的勒让提金星凌日以两次凌日为一组，间隔8年，但是两组之间的间隔却有一百多年。

第8章　冲出太阳系

利用日地距离这把量天尺，天文学家们迈向了恒星世界

恒星是什么

1600年2月17日，罗马鲜花广场上燃起了熊熊大火，52岁的布鲁诺被绑在广场中央的火刑柱上，瘦小的身躯在烈焰中挣扎着被吞噬。布鲁诺的罪状有三十多条，信奉并宣扬日心说是其中之一。

布鲁诺甚至比哥白尼走得更远，哥白尼的宇宙是一个小小的太阳系，恒星依然在晶莹的天球上围绕太阳运行，布鲁诺则认为恒星都是遥远的太阳，他在《论无限、宇宙及世界》一书中写道：

“人类所看到的只是无限宇宙中极为渺小的一部分，地球只不过是无限宇宙中一粒小小的尘埃。千千万万颗恒星都是如同太阳那样巨大而炽热的星辰，这些星辰都以巨大的速度向四面八方疾驰不息。它们的周围也有许多像我们地球这样的行星，行星周围又有许多卫星。生命不仅在我们地球上有，也可能存在于那些人们看不到的遥远行星上……”

布鲁诺的思想相当深刻，他以勇敢的一击，将流传千年之久的“天球”捣得粉碎。对那些习惯了舒适小宇宙的人们来说，这些说法实在太骇人听闻，据说连“天空立法者”开普勒也无法接受，在阅读布鲁诺的文章时感到一阵阵眩晕。

但布鲁诺的学说是出于思辨，天文学需要证据。一个明显的事实是，恒星相互之间从来不移动位置，看起来确实像镶在透明的水晶球壳上的光点，星座的划分正是基于这一特点，天文学家们从来不担心今天看起来像天蝎的一群星，明天看起来变成螃蟹或者别的什么东西；事实上，恒星组成的形状几千年也没什么变化，它们太恒定不动了。

恒星为什么恒定不动？如果它们不是镶在晶莹天球上的光点，原因就只能是—

它们太远，因而移动太缓慢，在人的短暂一生中，不足以发现它们的移动。

恒星原来并不恒定

1718年，已经62岁的哈雷忽然想到，如果把时间拉长，也许就能发现恒星的移动。他找来一百多年前第谷的星表，细细比对，果然，明亮的天狼星位置有一点点偏移。如果时间再拉长些，是不是就能发现更多的偏移？哈雷赶快又找来古希腊天文学家喜帕恰斯的星表，那是公元前2世纪，时间相隔一千八百年，不出所料，哈雷看到另外两颗亮星也移动了—牧夫座的大角星和金牛座的毕宿五，而天狼星的移动则比第谷星表里更明显。看来，恒星的的确确在运动！

哈雷看到的恒星移动现象称为自行—自身运动导致的位置变化。恒星自行都非常小，绝大部分恒星一年的自行小于1角秒。想象一下，横跨天空的大圆周有360度，1度有3600角秒，大多数恒星在天上移动1度需要好几万年以上的时间，难怪它们看上去恒定不动。目前已知自行最快的星是蛇夫座一颗叫巴纳德的暗星，一年自行10.31角秒，被称为逃逸之星，即便如此，它在天上移动一度也要将近4个世纪。

自行虽然缓慢，但最终会使天上所有星座的形状变得面目全非，只是需要的时间很久。以北斗七星为例，它现在看起来像一个勺子；十万年后，它看起来会像一个铲子；而在十万年前，它看起来像是一把铁锹。

第一把量天尺：三角视差法

恒星是一个个遥远的太阳，中间隔着空间的深渊，如何测量它们的距离呢？天文学家们想到了三角视差法。

三角视差法测距很平常，每个人几乎每时每刻都在使用—人凭肉眼能感觉出物体远近就利用了这一原理。

我们可以非常方便地体会这个测距原理。看着眼前近处的一个物体，闭上右眼，用左眼看它，然后快速地闭上左眼，用右眼看它，这样交替几次，可以明显地感觉到物体相对于背景左右移动。物体越远，左右移动的幅度越小，也就是视差越小；反过来，视差越小，距离就越远。大脑对距离的判断就是根据两眼视差做出的。

人两眼之间的基线太短，只有几厘米，判断的距离非常有限。对于恒星，当然需要一个长得多的基线，但即便站在地球两端，长度也只有一万多公里，对恒星产生的视差太小。天文学家们想到了一个长得多的基线，就是地球绕太阳公转的轨道直径，从它两端去看恒星，就有可能发现恒星视差了。怎样从地球轨道一端到达另一端呢？很简单，地球载着我们运动，半年后就到了，天文学家们只需相隔半年测量同一颗恒星就可以了。

这无疑是一个好办法，但前提是要知道地球到太阳的距离，这个最基本的太空尺度，称为一个天文单位。只要测量出它，人们就可能打开通向恒星世界的大门，因而测量日地距离被誉为18世纪“最崇高的天文问题”。

太阳的距离虽然比恒星近得多，可是测量起来绝非易事。1716年，哈雷提出一个巧妙建议，利用金星凌日来测量日地距离。金星凌日类似日食，就是金星运行到地球和太阳之间，太阳、金星、地球三者排成一条直线，这时从地球上看去，金星会从太阳圆面上凌空而过，但由于金星距离遥远，它在太阳圆面上只会呈现一个小小的黑色圆斑。从地球上不同地点看，金星小黑斑在太阳圆面上的位置是不同的，这样就能导出日地距离。

倒霉透顶的勒让提

金星凌日以两次凌日为一组，间隔8年，但是两组之间的间隔却有一百多年。距离哈雷提出建议时最近的金星凌日是1761年和1769年的一组，天文学家非常积极地投入准备，其中法国勒让提的遭遇颇具戏剧色彩。

印度是这两次金星凌日的最佳观测地之一，勒让提决定到印度去。1761年英国和法国正在交战，勒让提只能绕道而行。当他辗转来到印度时，英军又不让他上岸，他只能漂泊在海上。6月5日，金星凌日了，勒让提仍在海上，眼睁睁错过。后来勒让提被允许进入印度，他决心在那里等待8年，观测1769年6月3日的金星凌日。勒让提做了长期坚守的准备，修建了一个观测台，与当地居民广泛接触，学习当地语言，了解当地民俗，甚至钻研印度文学，与当地居民结下了深厚友谊。

1769年终于到了，勒让提满心喜悦地做着准备工作。这一地区的五六月，通常都是阳光普照的好天气，6月3日这天天气也很晴朗，勒让提架起望远镜对准太阳，金星那个黑色小圆斑虽然看不见，但勒让提知道它正在向太阳圆面移动，再有十几分钟就会出现在太阳圆面上，勒让提无比激动。就在这时候，天空忽然现出不祥之兆，一团乌云压过来，很快把太阳遮住，紧接着狂风四起，大雨倾盆而下。勒让提呆呆地站在那里，任凭瓢泼大雨浇在自己身上，把他浇到透心凉。

几小时之后，雨过天晴，阳光普照，金星也顺利地掠过日面而去。

这意外打击使勒让提心灰意懒，一下病倒在床，不愿再与国内联系。在当地人的悉心照料下，勒让提逃脱了死神的魔掌，两年后回到法国，等待他的是命运继续无情的捉弄。亲属们因为长久没有勒让提的消息，以为他客死异乡，就瓜分了他的财产，他在科学院的院士席位也被人补了缺。勒让提向法院提起诉讼，却遭到败诉，因为那一切都有合法程序。不过，倒霉透顶的勒让提还是站了起来，开始了新生活。他结了婚，撰写有关印度民俗风情的书，重新进入主流社会，成为当地名士。

风光无限的库克舰长

相比勒让提的落魄，库克舰长可谓风光无限。1768年，39岁的库克率领“奋进号”考察船前往太平洋大溪地（塔希提岛）观测金星凌日。8月26日，奋进号从英国普利茅斯港起航，横渡大西洋，绕过南美最南端合恩角，进入太平洋，经过半年多海上航行，在金星凌日前一个多月到达大溪地。大溪地是法国领地，当时英法两国正在交战，为了体现对科学探索的重视和支持，法国政府特别下令海军不得攻击库克船长的奋进号，而且还要保护其航行安全。

大溪地是一个天堂般的世外桃源，四季温暖如春，阳光明媚，衣食无忧的人们常常无所事事地望着大海远处，静待日落时的满天霞光和那之后的满天繁星。

库克舰长的金星凌日观测进行得非常顺利，当地国王和有身份的人都去了观测站，想目睹英国人不远万里来看的奇异天象。望远镜中，明亮的太阳圆面里，一个黑色小圆点静静地待在那里，几乎一动不动。这与大溪地的天空和大地相比，难道会更漂亮吗？王公贵族们茫然地看着这个小黑点，想不通这些人为啥对这个小黑点如此兴师动众。

这次金星凌日，全球共有76个观测点，最后计算出地球与太阳的距离为1.52～1.54亿公里，与真实距离相当接近。125年之后的另一组—1874和1882年的金星凌日，天文学家们继续测量，那时候有了照相技术，结果更为精确。

库克船长的大溪地之行，使他和金星凌日这个著名天象永远联系在一起，大溪地上的金星凌日观测点后来被称为金星角。除了金星凌日，库克船长这次史诗般的环球航行收获颇丰：他们记录了数千种植物和动物；在人类历史上首次环绕新西兰南岛和北岛航行；首次沿澳大利亚东海岸航行，库克还把澳大利亚命名为新南威尔士，并宣称所有权属大英帝国。当欧洲人畅游地球，测量大地和天空的时候，东方古老的大清帝国因为闭关锁国，观念僵化而陈腐，虽然表面上处于乾隆盛世，却注定是日薄西山了。

测定恒星的距离

有了日地距离这把巨大的标尺，天文学家开始了从太阳系迈向恒星世界的伟大征程。

令人颇感意外的是，第一个测出视差的恒星不是像天狼星那样的明星，而是一颗不起眼的暗弱小星—天鹅座61，测量者也是天文界的一匹黑马—贝塞尔。贝塞尔出身贫寒，少年时只读过4年书，15岁在商行当学徒，想做国际贸易，后来对天文学产生兴趣，开始自学数学和天文学，20岁时发表有关哈雷彗星轨道的论文，名声大噪，26岁受普鲁士国王之命组建柯尼斯堡天文台并担任台长。

贝塞尔自己研制精密的望远镜，花费了十几年时间，精确测量了十多万颗恒星的位置。1837年，他把望远镜对准天鹅座61。天鹅座61虽然暗弱，但却有“飞行之星”的美名，就是自行很快，这暗示它的距离很可能是近的，就如同坐在行驶的车辆中观看外面物体，远处的目标总是移动缓慢，而近处的目标则一闪而过。

天鹅座61旁边有两颗更暗的星，它们几乎完全静止不动，正好可以用作背景来标示天鹅座61的移动。贝塞尔先标注下天鹅座61的位置，然后坐着地球这艘“飞船”，变换自己的位置，来到三亿公里之外，结果发现天鹅座61真的随之移动了。

1838年12月，贝塞尔公布了天鹅座61的视差：随着地球从轨道一端移到另一端，天鹅座61相对于恒星背景摆动了0.31角秒，这相当于看20公里外一枚硬币张开的角度，贝塞尔由此估算出天鹅座61的距离约为10.4光年，这与今天的11.4光年很接近。

南门二与比邻星

英国的托马斯·亨德森比贝塞尔更早测量出恒星的视差。亨德森在南非好望角天文台，他选中的是南方天空半人马座的南门二。南门二亮度全天排名第三，看上去是一颗迷人的恒星，实际上是一对双星，自行也比较快，暗示其距离不会太远。亨德森很幸运，南门二是已知恒星中距离最近的。亨德森花了好几年时间反复测量，定出南门二的视差是0.91角秒，1839年回国后发表。后来更精确的测量把南门二视差减小到0.76角秒，换算成距离，是4.3光年。

1915年，天文学家们在南门二西南两度的地方发现一颗肉眼看不见的暗弱恒星，可能在绕着南门二双星运转，形成三体。它目前距离地球4.2光年，于是便有了一个非常特殊的身份—太阳系最近的恒星邻居，称为比邻星。

为了表述恒星的距离，我们需要用一个新的单位—光年。光每秒钟走30万公里，用它乘以3600，再乘以24，再乘以365，就是光在一年中走的距离，算下来1光年是9，460，500，000，000公里，可以方便地记为约10万亿公里。

比邻星距离地球4.2光年—约40万亿公里，它的光芒照射到地球需要走4.2年时间。一艘每秒30公里的宇宙飞船，从地球飞到比邻星需要42000年时间，虽是比邻，也远在天涯！

作为比较，太阳系的第八颗行星海王星距太阳45亿公里，太阳光照射到它上面需要走4.2小时，同恒星的距离相比，太阳系的行星疆域是极其微不足道的。

比邻星是一颗红矮星，质量是太阳的1/8—是地球4万倍，其发光功率约200万亿亿瓦，相当于1万亿个三峡水电站的发电功率，这真是大得难以想象。可是，比邻星的红色光芒到达4.2光年外的地球时竟然如此微弱，以至丝毫不能引起地球人的视觉，而这竟然是我们太阳系最近的恒星邻居！

宇宙太空，实在是一个浩瀚无比的空间大海。

旅行到时空边缘：冲出太阳系，揭开恒星世界的神秘

相关推荐