地球的实际年龄变小了?
我们如何得知太阳有多远
他解决了困扰爱因斯坦的难题
太阳出现怪异现象,科学家猜测有
荣耀30Pro+:3点升级感知力强

我们如何得知太阳有多远

2020-09-10 10:17 主页 来源:未知
我们如何得知太阳有多远


太阳有多远?似乎没人会问得这么直。然而,正是如此直白的问题困扰了天文学家两千多年。
显然,这是天文史上至关重要的问题,重要性大概仅次于地球有多大和多重吧。如今的日地距离作为“天文单位”,是度量太阳系内所有距离的基本参照,更是测定宇宙间一切距离的基准线。
 
古希腊思想家是第一批尝试建立宇宙综合模型的人之一。仅凭肉眼观测,没借助任何工具,他们还是能辨明一些事实。比如看到天边的月亮又大又圆,说不定是因为它离我们非常近。
透过日食现象,发现了月亮和太阳的视直径基本无差,可太阳的光却耀眼得多,大概是因为即使太阳相距更远可体积也大得多(太阳和月亮视大小的巧合对天文学的发展举足轻重)。其他行星看上去比星星还小,但似乎转速更快,这些行星很可能处在某个中间地段。但除了大致的描述,人们能给出更确切的数据吗?几何学的开创给予了完全肯定的答案。
 
一开始测定的是月球半径。公元前二世纪中叶,古希腊天文学家希帕克开创了视差法测定的先河。视差法的原理很简单:当两个物体从不同角度观察时,近些的物体比远些的看起来移动得更快。你可以做个简单的演示,拿一根手指比到和胳膊看起来一样长,闭上一只眼,然后换另一只眼闭上。有注意到你的手指比其他物体移动得更快吗?那就是视差!希帕克在两个知道相隔多远的城市观测了月球,然后用一些几何原理推算出了月球半径,精度和当今的相差不到7?还是很接近的。
 
图解:月球是第一个半径被精确测定的星体
知道地球到月亮有多远了,古希腊天文学家阿里斯塔克开启了下个阶段,他是第一个测量日地距离的人。阿里斯塔克发现当弦月出现时,日、月、地三者形成了直角三角形。知道了地球到月亮的距离,要计算太阳的半径,只要得到月亮和太阳的夹角即可。这原本会是绝妙的推导,只可惜观察不足。依旧在没有工具的情况下,阿里斯塔克观测到角度为87°,和实际的89.83°相差并不大。不过倘若两者相对距离十分遥远,再小的误差也会立马放大。所以,他得到的数值和实际差了一千多倍。
 
之后两千年间,阿里斯塔克的推论中代入了越发精准的数据,我们也越来越接近实际值。可怎样才能进一步提升精确度呢?那也只能是直接测定日地距离了,也就是通常说的视差法。不过,太阳视差可比月球视差难找得多。毕竟太阳本身就没什么特点,只是它光芒太耀眼,把背后的行星遮得严严实实,我们压根就看不见。那能怎么办呢?
 
到了十八世纪,我们对世界的认知迈进了一大步。当时的物理学体系虽建立不久,却提供了关键线索。此前,开普勒和牛顿提出,所有行星间的距离都是相关的,举一反三就能通晓所有。但是有比到地球的距离更容易发现的吗?还真的有。如果走运的话,也能找到。
 
关键就在金星凌日。从地球来看,金星凌日时正好在太阳面前穿过,而且不同城市看到的凌日轨迹也有所不同。依照凌日时长的记录,詹姆士·格雷戈里和埃德蒙·哈雷认识到他们有机会测出地球到金星(其次是太阳)的距离。一般这个时候,我就净说些“有点太直接了,对吧?只有一次机会……”之类的话。也许没有比观测金星凌日更不切实际的办法了。好事总是多磨,许多天文学者都尝试未果,可正因如此,才证明了测定这段距离多么要紧。
 
图解:1769年,一位天文学家与詹姆斯·库克船长同行,在塔西提岛观测到了金星凌日
首先得明白一点,金星凌日的现象极为罕见,一辈子就见到那么一次(尽管有时有一组凌日)。等哈雷发觉这个办法管用时,他很清楚自己上了年纪,怕是不能亲身上阵了。因此,他详尽记述了观测步骤,希望后辈有人继续完成这项使命。为了力求结果精准,时间记录得精确到秒。为了确保有足够大的距离,观测点要分散在天南海北。再有,为了免受天气干扰,世界各地的观测点都需要观测者守候。说起来,那个年代横跨大陆并非易事,要经年才能旅完。
 
尽管困难重重,英国和法国的一众天文学家决心在1761年的金星凌日时,一定要收集到充分的数据。可到了那年,情况更不妙——英法卷入了七年战争,海上航行的计划算是泡汤(无望,没盼头)了。但人们没有停下观测的脚步,仍在继续努力。尽管并非所有观测者都完成了观测(天气或战争的缘故),但八年后,合并了又一次金星凌日集得的数据,这项任务可谓大功告成了。法国天文学家拉朗德汇集所有数据后,第一次精准地计算出地日距离为1530亿米,和实际值偏差不到3?
 
 
金星凌日的观测取得突破后,极大地丰富了我们对日地距离的认识,同时也用它揭开了宇宙浩瀚的奥秘。一旦知道了地球轨道有多长,再加上长达半年(等地球公转到太阳的另一侧,距离为2AU)的观测,我们就能利用视差法测定地球到其他行星的距离了。这一切距离都足见宇宙是无尽伸延的,最终也指引我们发现宇宙已经诞生数十亿年。问这么直白的问题也不赖嘛!