以光年為標尺，量一量宇宙中的“超遠”距離

丈量宇宙的標尺：光年

在宇宙中如何測量距離呢？宇宙中天體之間的距離非常遙遠，如果用地球上常見的米、千米等長度單位來測量，就好比把從你家到單位的距離說成是幾千萬毫米一樣，得到的結果往往會讓人啼笑皆非。那么，要測量宇宙中天體的距離，該怎么辦呢？

天文單位，是天文學上的長度單位，英文縮寫為AU，一天文單位約是149597871千米，相當于地球到太陽的平均距離。由于人們最早是從地球、太陽開始認識宇宙的，因此早在人們提出地心說之時，他們就試圖測量地球到太陽之間的距離，并希望以此為標準單位來度量其他天體間的距離。古希臘天文學家阿里斯塔克斯提出日心說之時，就曾估算太陽到地球的距離是地月距離的18～20倍，但實際上這個數值是390倍。后來，托勒密在研究行星運動規律時，也曾推導出地球到太陽的距離大約是地球半徑的1210倍。雖然從理論上來說，托勒密的計算方法是可行的，但按照他的計算方法，只要測量數據稍起一點變化，就會導致測得的距離變成無限大。

當然，由于地球和太陽之間的距離隨時都在發生變化，因此只能取距離數值的平均值做一個天文單位。在2012年8月于中國北京舉行的國際天文學大會（IAU）上，天文學家就以無記名投票的方式把天文單位固定為149597870700米。

如果僅僅在太陽系中測量天體距離，天文單位作為一個度量是很合適的，但若將其應用到整個宇宙范疇中測量恒星間的距離，就會顯得有些不足。例如，如果用天文單位來表示太陽和離它最近的恒星α星之間的距離，就是270000個天文單位，后面依然有好幾個0。因此，為了更方便地測量整個宇宙中的天體距離，天文學家定義了一個單位叫“光年”，即光在真空中行進一年的距離，用它來度量宇宙中更大范圍的恒星間距。

光的傳播速度是非常驚人的，在真空中大約每秒30萬千米，一年中行進的距離達到9.5萬億千米。據說，目前人造的最快物體是1970年德國和美國合建并發射的Helio 2衛星，最高速度為70.22千米每秒，依照這樣的速度，它飛躍一光年的距離大約需要4000年時間。而常見的客機，時速大約是每小時885千米，飛躍1光年則需要1220330年。由此可以想象，光年對于人類來說是多么龐大的尺度，這樣的尺度足以應用到廣袤的宇宙空間了。此外，由于光在真空中的傳播速度是恒定不變的，因此光在一年時間里行進的距離也是恒定不變的，如此一來，天文學家就可以利用這把大尺子方便地測量宇宙中恒星間的距離。例如，太陽與α星之間的距離就大約是4.22光年，而所知的最遠的恒星離太陽的距離要超過100億光年。

需要注意的是，光年聽起來像時間單位，但它其實是一個長度單位。在天文學中，由光年而來的還有另一個單位，叫秒差距。秒差距是天文學中另一個常用的單位，1秒差距等于3.26光年。目前，我們所處的銀河系的直徑大約有7萬光年，而整個天文觀測的范圍已經擴展到了200億光年的廣闊空間。依靠著光年這把在地球人看來龐大無比的“空間大標尺”，天文學家展開了對廣袤宇宙的不斷探索。

如何測量天體距離：宇宙“量天尺”——造父變星

宇宙中，在測量不知距離的星團、星系時，只要能觀測到其中的造父變星，就可以利用周光關系將星團、星系的距離確定出來。因此，造父變星也被稱為宇宙的“量天尺”。

變星，就是指亮度經常變化并且伴隨著其他物理變化的恒星。通常，多數恒星在亮度上幾乎都是固定的，以太陽來講，其亮度在11年的太陽周期中，只有0.1%的變化。但其他許多恒星的亮度都有顯著的變化，它們就屬于我們所說的變星。

造父變星，是一類亮度隨時間呈周期性變化的變星。1784年，人們在仙王座發現了一顆變星，即仙王座的仙王座δ星，由于這是這種類型變星中被確認的第一顆，而中國古代又稱其為造父一，因此被叫作造父變星。1908～1912年，美國天文學家勒維特在研究大麥哲倫星系和小麥哲倫星系時，在小麥哲倫星系中發現了25顆變星，它們的亮度越大，光變周期越大，非常有規律。于是，科學家經過研究最終發現，造父變星的亮度變化與它們的變化周期之間存在著確定的關系，即光變周期越長，平均光度越大，他們把這叫作周光關系，并得到了周光關系曲線。

星等，是一個表示星體亮度的概念，其數值越大，說明星體越暗。據觀測，造父一最亮時的星等是3.5，最暗時星等是4.4，它的光變周期非常準確，為5天8小時47分28秒。通常，造父變星的光變周期有長有短，但大多都處于1～50天之內，并且以5～6天最多，當然也有長達一兩百天的。此外，造父變星都屬于巨星、超巨星，一顆30天周期的造父變星就要比太陽明亮4000倍，1天周期的也要比太陽明亮100倍，因此很容易利用它們的周光關系來測量其所在的星系的距離。

如果兩顆造父變星的光變周期相同，則認為它們的光度就相同。此時，只要用其他方法測量出較近的這顆造父變星的距離，就可以由此知道周光關系的參數，進而測量出遙遠天體的距離。而以后在測量不知距離的星團、星系時，只要能觀測到其中的造父變星，就可以利用周光關系將星團、星系的距離確定出來。具體來說，假設有兩顆周期相同、在地球上看起來亮度不同的造父變星，而且我們到看起來比較明亮的造父變星的距離是已知的。那么由于周期相同，兩個變星的本來亮度就相同，如果較暗的變星的亮度是較亮的亮度的1/100，就可以得出較暗的變星的距離是到較亮的變星距離的10倍。

目前，造父變星通常分為幾個子類，表現出截然不同的質量、年齡和演化歷史，即經典造父變星、第二型造父變星、異常造父變星和矮造父變星。經典造父變星，也稱第一型造父變星或仙王座δ型變星，以幾天至數個月的周期非常有規律地脈動，常被用來測量本星系群內和河外星系的距離。著名的北極星就是一顆經典造父變星，光變周期約為4天，亮度變化幅度約為0.1個星等。

由于造父變星本身亮度巨大，用它來測量遙遠天體的距離非常方便。而除了造父變星，其他的測量遙遠天體的方法還有利用天琴座RR型變星以及新星等方法。不過，天琴座亮度遠小于造父變星，測量范圍比造父變星還小得多，精確性也不如造父變星，因此比較少用。

星系大小和間距：百萬光年？瞠目結舌的星系間距

目前，我們已經能測算出銀河系本身的直徑達10萬光年，而在銀河系之外，那些河外星系又有多大？它們之間的距離是多少呢？如何測定這么遙遠的距離呢？

通常，如果知道星系的距離，并且能通過觀測得出河外星系的角半徑，天文學家就能計算出星系的半徑。不過，由于星系的亮度都是從中間向外逐漸降低，其邊緣很難和整片星空背景分開，因此要確定星系的邊界有一些困難。

通常，各類型星系的大小相差懸殊，如最大的橢圓星系的直徑超過了30萬光年，而最小星系的直徑則只有300～3000光年。除了大小，各類型星系的質量也大相徑庭。一般認為，旋渦星系的質量大約是太陽質量的10億～1000億萬倍；不規則星系的質量比旋渦星系的質量要普遍小一些；橢圓星系的質量，則差別非常大，有些比旋渦星系質量還要大100～10000倍，有些則質量較小，或許只有太陽質量的百萬倍，被稱為矮星系。大小和質量之外，各類型星系的光度差別也很大。天文學上說的光度，表示的是物體每單位時間內輻射出的總能量。

對于星系之間的距離測量，天文學家也想出了很多辦法，上一節講到的利用造父變星的周光關系測定出造父變星的距離，從而求出它所在的河外星系的距離是其一。不過，當星系離我們非常遙遠時，造父變星看起來就會非常暗淡，再利用這個辦法測量星系距離就不適合了。那么，新的測量遠距離星系間距的辦法是什么呢？

天文學家發現，利用Ia超新星可以測量遙遠星系的距離。超新星的出現實際上就意味著發生了巨大的爆炸，也意味著大質量恒星生命的終極。而Ia超新星具有特征性的光度曲線，在爆炸發生后它的光度是時間的函數。而科學界普遍認為，那些由單一質量吸積形成的Ia超新星的光度曲線都具有一個相同的光度峰值。因此，它們可以被作為天文學上的一個標準燭光，用來測量它們宿主星系的距離。利用這種辦法，科學家測量出的星系距離可以達到820萬光年，而星系與星系之間的平均距離是二三百萬光年。

百萬光年？要知道，一光年就有9.5萬億千米，而百萬光年對地球人來說，絕對是個讓人瞠目結舌的距離。由此可見，在茫茫宇宙中，相比于數不清的巨大星系，地球，甚至太陽系、銀河系都只是非常渺小的一員，我們人類更是渺小到不值一提。不過，相信隨著科學技術的發展，人類會找出越來越多的科學方法，把浩渺宇宙中的秘密逐漸揭開。

太陽系究竟有多大：從太陽到比鄰星

我們知道，廣義上，太陽系的領域包括太陽，4顆像地球的內行星，由許多小巖石組成的小行星帶，4顆充滿氣體的巨大外行星，充滿冰凍的小巖石，被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。此外，在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤面和太陽圈，和依然屬于假設的奧爾特云。那么，太陽系究竟有多大？它的盡頭又在哪里呢？

天文學家有時會將除太陽之外的太陽系非正式地分為幾個區域。

內太陽系：是類地行星和小行星帶區域的總稱，主要由硅酸鹽和金屬組成。這個區域擠在靠近太陽的范圍內，包括水星、金星、地球、火星四顆內行星，及由巖石和不易揮發的物質組成的小行星帶。

太陽系的中部地區是氣體巨星和它們有如行星大小的衛星的家，這一區域偶爾會被納入“外太陽系”中去。中太陽系的固體主要成分是“冰”（水、氨和甲烷），包括在外側的木星、土星、天王星、海王星四顆行星，以及彗星和半人馬群。外側的四顆行星，也稱為類木行星，幾乎囊括了環繞太陽99%的已知質量。

海王星之外的區域被稱為外太陽系或外海王星區，目前仍是未被探測的廣大空間。這里似乎是太陽系小天體的世界，主要由巖石和冰組成，包括柯伊伯帶、離散盤、日球頂層及奧爾特云。柯伊伯帶是由冰組成的碎片與殘骸構成的環帶。離散盤與柯伊伯帶相重疊，但向外延伸到更遠的空間。此外，太陽會噴出高能量的帶電粒子，稱為“太陽風”。太陽風吹刮的范圍一直達到冥王星軌道外面，形成了一個巨大的磁氣圈，即“日圈”。在日圈外面，有星際風在吹刮，太陽風保護著太陽不受星際風的侵襲，并在交界的地方形成震波面。日圈的終極處叫作“日圈頂層”，是太陽所支配的最遠端。當然，1950年，天文學家奧爾特根據當時已經觀測到的彗星軌道，發現多數周期彗星都是從距離太陽幾萬天文單位的地方飛來的。于是，他猜測可能存在一個球殼狀包住太陽系的彗星巢存在，這個被假設的彗星巢叫作“奧爾特云”。

奧爾特云向外延伸的程度，大概不會超過5萬天文單位，而太陽系的未知地區仍有可能被發現。不過，雖然無法確切知道太陽系的邊緣與盡頭，我們卻可以通過離太陽最近的恒星來了解太陽系的大小。

目前，科學家發現的距離太陽最近的恒星被稱為比鄰星，學名是α星C，它位于天空中的半人馬座。α星是半人馬座中最明亮的星星，除了天狼星和老人星，它是天空中最亮的星。α星是由A、B、C三顆子星組合而成的三合星，其中的C子星就是比鄰星。觀測計算結果顯示，比鄰星距離太陽大約4.22光年，是從太陽到冥王星距離的7000倍，就算乘坐目前最快的宇宙飛船，要達到比鄰星也需要17萬年的時間。

17萬年？又是一個恐怖數字，僅從這一點就可以看出，人類要飛出太陽系到達其他星系的道路還相當遙遠。如果你把太陽想象成一顆蘋果大小，那么地球就是只有1毫米直徑的米粒大小，它們之間相距10米左右。然后，按照這個模型來計算，半人馬座的α星到太陽的距離在2000千米以上，這兩顆恒星就像是漂浮在太平洋的兩顆蘋果，中間隔著2000千米的距離，永遠都不會碰撞在一起。