以光年为标尺，量一量宇宙中的“超远”距离

丈量宇宙的标尺：光年

在宇宙中如何测量距离呢？宇宙中天体之间的距离非常遥远，如果用地球上常见的米、千米等长度单位来测量，就好比把从你家到单位的距离说成是几千万毫米一样，得到的结果往往会让人啼笑皆非。那么，要测量宇宙中天体的距离，该怎么办呢？

天文单位，是天文学上的长度单位，英文缩写为AU，一天文单位约是149597871千米，相当于地球到太阳的平均距离。由于人们最早是从地球、太阳开始认识宇宙的，因此早在人们提出地心说之时，他们就试图测量地球到太阳之间的距离，并希望以此为标准单位来度量其他天体间的距离。古希腊天文学家阿里斯塔克斯提出日心说之时，就曾估算太阳到地球的距离是地月距离的18～20倍，但实际上这个数值是390倍。后来，托勒密在研究行星运动规律时，也曾推导出地球到太阳的距离大约是地球半径的1210倍。虽然从理论上来说，托勒密的计算方法是可行的，但按照他的计算方法，只要测量数据稍起一点变化，就会导致测得的距离变成无限大。

当然，由于地球和太阳之间的距离随时都在发生变化，因此只能取距离数值的平均值做一个天文单位。在2012年8月于中国北京举行的国际天文学大会（IAU）上，天文学家就以无记名投票的方式把天文单位固定为149597870700米。

如果仅仅在太阳系中测量天体距离，天文单位作为一个度量是很合适的，但若将其应用到整个宇宙范畴中测量恒星间的距离，就会显得有些不足。例如，如果用天文单位来表示太阳和离它最近的恒星α星之间的距离，就是270000个天文单位，后面依然有好几个0。因此，为了更方便地测量整个宇宙中的天体距离，天文学家定义了一个单位叫“光年”，即光在真空中行进一年的距离，用它来度量宇宙中更大范围的恒星间距。

光的传播速度是非常惊人的，在真空中大约每秒30万千米，一年中行进的距离达到9.5万亿千米。据说，目前人造的最快物体是1970年德国和美国合建并发射的Helio 2卫星，最高速度为70.22千米每秒，依照这样的速度，它飞跃一光年的距离大约需要4000年时间。而常见的客机，时速大约是每小时885千米，飞跃1光年则需要1220330年。由此可以想象，光年对于人类来说是多么庞大的尺度，这样的尺度足以应用到广袤的宇宙空间了。此外，由于光在真空中的传播速度是恒定不变的，因此光在一年时间里行进的距离也是恒定不变的，如此一来，天文学家就可以利用这把大尺子方便地测量宇宙中恒星间的距离。例如，太阳与α星之间的距离就大约是4.22光年，而所知的最远的恒星离太阳的距离要超过100亿光年。

需要注意的是，光年听起来像时间单位，但它其实是一个长度单位。在天文学中，由光年而来的还有另一个单位，叫秒差距。秒差距是天文学中另一个常用的单位，1秒差距等于3.26光年。目前，我们所处的银河系的直径大约有7万光年，而整个天文观测的范围已经扩展到了200亿光年的广阔空间。依靠着光年这把在地球人看来庞大无比的“空间大标尺”，天文学家展开了对广袤宇宙的不断探索。

如何测量天体距离：宇宙“量天尺”——造父变星

宇宙中，在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就可以利用周光关系将星团、星系的距离确定出来。因此，造父变星也被称为宇宙的“量天尺”。

变星，就是指亮度经常变化并且伴随着其他物理变化的恒星。通常，多数恒星在亮度上几乎都是固定的，以太阳来讲，其亮度在11年的太阳周期中，只有0.1%的变化。但其他许多恒星的亮度都有显著的变化，它们就属于我们所说的变星。

造父变星，是一类亮度随时间呈周期性变化的变星。1784年，人们在仙王座发现了一颗变星，即仙王座的仙王座δ星，由于这是这种类型变星中被确认的第一颗，而中国古代又称其为造父一，因此被叫作造父变星。1908～1912年，美国天文学家勒维特在研究大麦哲伦星系和小麦哲伦星系时，在小麦哲伦星系中发现了25颗变星，它们的亮度越大，光变周期越大，非常有规律。于是，科学家经过研究最终发现，造父变星的亮度变化与它们的变化周期之间存在着确定的关系，即光变周期越长，平均光度越大，他们把这叫作周光关系，并得到了周光关系曲线。

星等，是一个表示星体亮度的概念，其数值越大，说明星体越暗。据观测，造父一最亮时的星等是3.5，最暗时星等是4.4，它的光变周期非常准确，为5天8小时47分28秒。通常，造父变星的光变周期有长有短，但大多都处于1～50天之内，并且以5～6天最多，当然也有长达一两百天的。此外，造父变星都属于巨星、超巨星，一颗30天周期的造父变星就要比太阳明亮4000倍，1天周期的也要比太阳明亮100倍，因此很容易利用它们的周光关系来测量其所在的星系的距离。

如果两颗造父变星的光变周期相同，则认为它们的光度就相同。此时，只要用其他方法测量出较近的这颗造父变星的距离，就可以由此知道周光关系的参数，进而测量出遥远天体的距离。而以后在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就可以利用周光关系将星团、星系的距离确定出来。具体来说，假设有两颗周期相同、在地球上看起来亮度不同的造父变星，而且我们到看起来比较明亮的造父变星的距离是已知的。那么由于周期相同，两个变星的本来亮度就相同，如果较暗的变星的亮度是较亮的亮度的1/100，就可以得出较暗的变星的距离是到较亮的变星距离的10倍。

目前，造父变星通常分为几个子类，表现出截然不同的质量、年龄和演化历史，即经典造父变星、第二型造父变星、异常造父变星和矮造父变星。经典造父变星，也称第一型造父变星或仙王座δ型变星，以几天至数个月的周期非常有规律地脉动，常被用来测量本星系群内和河外星系的距离。著名的北极星就是一颗经典造父变星，光变周期约为4天，亮度变化幅度约为0.1个星等。

由于造父变星本身亮度巨大，用它来测量遥远天体的距离非常方便。而除了造父变星，其他的测量遥远天体的方法还有利用天琴座RR型变星以及新星等方法。不过，天琴座亮度远小于造父变星，测量范围比造父变星还小得多，精确性也不如造父变星，因此比较少用。

星系大小和间距：百万光年？瞠目结舌的星系间距

目前，我们已经能测算出银河系本身的直径达10万光年，而在银河系之外，那些河外星系又有多大？它们之间的距离是多少呢？如何测定这么遥远的距离呢？

通常，如果知道星系的距离，并且能通过观测得出河外星系的角半径，天文学家就能计算出星系的半径。不过，由于星系的亮度都是从中间向外逐渐降低，其边缘很难和整片星空背景分开，因此要确定星系的边界有一些困难。

通常，各类型星系的大小相差悬殊，如最大的椭圆星系的直径超过了30万光年，而最小星系的直径则只有300～3000光年。除了大小，各类型星系的质量也大相径庭。一般认为，旋涡星系的质量大约是太阳质量的10亿～1000亿万倍；不规则星系的质量比旋涡星系的质量要普遍小一些；椭圆星系的质量，则差别非常大，有些比旋涡星系质量还要大100～10000倍，有些则质量较小，或许只有太阳质量的百万倍，被称为矮星系。大小和质量之外，各类型星系的光度差别也很大。天文学上说的光度，表示的是物体每单位时间内辐射出的总能量。

对于星系之间的距离测量，天文学家也想出了很多办法，上一节讲到的利用造父变星的周光关系测定出造父变星的距离，从而求出它所在的河外星系的距离是其一。不过，当星系离我们非常遥远时，造父变星看起来就会非常暗淡，再利用这个办法测量星系距离就不适合了。那么，新的测量远距离星系间距的办法是什么呢？

天文学家发现，利用Ia超新星可以测量遥远星系的距离。超新星的出现实际上就意味着发生了巨大的爆炸，也意味着大质量恒星生命的终极。而Ia超新星具有特征性的光度曲线，在爆炸发生后它的光度是时间的函数。而科学界普遍认为，那些由单一质量吸积形成的Ia超新星的光度曲线都具有一个相同的光度峰值。因此，它们可以被作为天文学上的一个标准烛光，用来测量它们宿主星系的距离。利用这种办法，科学家测量出的星系距离可以达到820万光年，而星系与星系之间的平均距离是二三百万光年。

百万光年？要知道，一光年就有9.5万亿千米，而百万光年对地球人来说，绝对是个让人瞠目结舌的距离。由此可见，在茫茫宇宙中，相比于数不清的巨大星系，地球，甚至太阳系、银河系都只是非常渺小的一员，我们人类更是渺小到不值一提。不过，相信随着科学技术的发展，人类会找出越来越多的科学方法，把浩渺宇宙中的秘密逐渐揭开。

太阳系究竟有多大：从太阳到比邻星

我们知道，广义上，太阳系的领域包括太阳，4颗像地球的内行星，由许多小岩石组成的小行星带，4颗充满气体的巨大外行星，充满冰冻的小岩石，被称为柯伊伯带的第二个小天体区。此外，在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面和太阳圈，和依然属于假设的奥尔特云。那么，太阳系究竟有多大？它的尽头又在哪里呢？

天文学家有时会将除太阳之外的太阳系非正式地分为几个区域。

内太阳系：是类地行星和小行星带区域的总称，主要由硅酸盐和金属组成。这个区域挤在靠近太阳的范围内，包括水星、金星、地球、火星四颗内行星，及由岩石和不易挥发的物质组成的小行星带。

太阳系的中部地区是气体巨星和它们有如行星大小的卫星的家，这一区域偶尔会被纳入“外太阳系”中去。中太阳系的固体主要成分是“冰”（水、氨和甲烷），包括在外侧的木星、土星、天王星、海王星四颗行星，以及彗星和半人马群。外侧的四颗行星，也称为类木行星，几乎囊括了环绕太阳99%的已知质量。

海王星之外的区域被称为外太阳系或外海王星区，目前仍是未被探测的广大空间。这里似乎是太阳系小天体的世界，主要由岩石和冰组成，包括柯伊伯带、离散盘、日球顶层及奥尔特云。柯伊伯带是由冰组成的碎片与残骸构成的环带。离散盘与柯伊伯带相重叠，但向外延伸到更远的空间。此外，太阳会喷出高能量的带电粒子，称为“太阳风”。太阳风吹刮的范围一直达到冥王星轨道外面，形成了一个巨大的磁气圈，即“日圈”。在日圈外面，有星际风在吹刮，太阳风保护着太阳不受星际风的侵袭，并在交界的地方形成震波面。日圈的终极处叫作“日圈顶层”，是太阳所支配的最远端。当然，1950年，天文学家奥尔特根据当时已经观测到的彗星轨道，发现多数周期彗星都是从距离太阳几万天文单位的地方飞来的。于是，他猜测可能存在一个球壳状包住太阳系的彗星巢存在，这个被假设的彗星巢叫作“奥尔特云”。

奥尔特云向外延伸的程度，大概不会超过5万天文单位，而太阳系的未知地区仍有可能被发现。不过，虽然无法确切知道太阳系的边缘与尽头，我们却可以通过离太阳最近的恒星来了解太阳系的大小。

目前，科学家发现的距离太阳最近的恒星被称为比邻星，学名是α星C，它位于天空中的半人马座。α星是半人马座中最明亮的星星，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三颗子星组合而成的三合星，其中的C子星就是比邻星。观测计算结果显示，比邻星距离太阳大约4.22光年，是从太阳到冥王星距离的7000倍，就算乘坐目前最快的宇宙飞船，要达到比邻星也需要17万年的时间。

17万年？又是一个恐怖数字，仅从这一点就可以看出，人类要飞出太阳系到达其他星系的道路还相当遥远。如果你把太阳想象成一颗苹果大小，那么地球就是只有1毫米直径的米粒大小，它们之间相距10米左右。然后，按照这个模型来计算，半人马座的α星到太阳的距离在2000千米以上，这两颗恒星就像是漂浮在太平洋的两颗苹果，中间隔着2000千米的距离，永远都不会碰撞在一起。