恆星到底有多遠？人類為何花了幾千年才找到答案

在浩瀚的宇宙中 就在距離我們大約1.5億公里的地方 燃燒著太陽系中最明亮 質量也最大的天體 太陽 在地球的天空裡 它的亮度比第二亮的天體 滿月 高出幾十萬倍 更重要的是 太陽是太陽系中少數真正自行發光的天體之一 而不是像行星或月亮那樣 只是反射別處的光 但如果你抬頭看向夜空 就會發現一個耐人尋味的事實 夜空中成千上萬顆恆星 其實也都是自發光的天體 正是這一點 把恆星與行星以及其他太陽系成員清楚地區分開來 問題來了 它們究竟離我們有多遠 與行星、太陽和月亮不同 恆星在天空中的位置看起來幾乎永遠不變 不只是從一個夜晚到下一個夜晚 就連一年甚至許多年過去 它們依然定在原來的地方 相比之下 太陽系內的天體都會明顯移動 這只能說明一件事 恆星一定遠得驚人 而要在如此遙遠的距離上仍然清晰可見 它們本身也必然極其明亮 因此從古代開始 人們就自然而然地推測 這些星星很可能都是像太陽一樣的天體 只不過分佈在極其遙遠的宇宙深處 可問題依然沒有答案 到底有多遠 直到17世紀 人類才第一次給出了定量的估計 羅伯特、胡克、克里斯蒂安、惠更斯 以及艾薩克、牛頓 幾乎在同一時代 分別給出了各自的答案 不出所料 這些早期的結果彼此並不一致 那麼 誰最接近真相 這段歷史 不僅充滿科學意義 也同樣引人入勝 測量恆星距離最簡單 最直接的方法可以追溯到幾千年前 恆星視察法 這個原理與我們小時候玩的一個遊戲背後的現象相同 閉上一隻眼睛 伸直手臂 豎起大拇指 然後換一隻眼睛閉上 另一隻眼睛睜開 觀察你的大拇指相對於背景中更遠的物體的位置變化 當你從兩個不同的角度觀察時 例如你的兩隻眼睛 近處的物體會相對於遠處的物體發生位移 這種現象被稱為視察 理論上可以用來測量距離我們最近的恆星的距離 當然 前提是這些恆星足夠近 以至於在我們的身體和設備的限制下 它們的位移能夠被觀測到 在古代 人們認為宇宙是以地球為中心的 因此他們試圖通過在黎明和黃昏時觀察同一顆恆星來測量視察 看看以地球直徑作為兩個觀測點之間的基線距離 是否會導致任何恆星出現可觀測到的位移 結果並沒有 但在17世紀 在戈白尼、伽利略和開普勒的研究之後 科學家羅伯特 胡克認為這種方法現在或許能夠奏效 17世紀60年代末 胡克開始了他的嘗試 他知道大氣折射 即光線穿過地球大氣層時發生的彎曲 可能會造成問題 因此為了最大限度地減少這種影響 他建造了一臺天頂望遠鏡 這種望遠鏡垂直向上觀測 從而最大限度地減少光線穿過地球大氣層的距離 胡克測量了天龍座伽馬星的位置 並在一年中對這顆恆星進行了多次觀測 以他當時儀器所能達到的最高精度 尋找其位置相對於真正天頂的任何明顯偏移 他從1669年開始記錄了四次測量結果 並注意到一個他聲稱可以用他的儀器精度觀測到的變化 25角秒或大約0.007度 他於1674年出版了《通過觀測證明地球運動的嘗試》一書 並在書中寫道 因此根據觀測可以明顯看出 地球軌道相對於天龍座頭部這顆恆星存在明顯的失差 從而證實了戈班尼體系 駁斥了托勒密體系和地骨體系 根據胡克的計算 推斷出的天龍座伽馬星的距離約為0.26光年 或地球到太陽距離的16500倍 在17世紀甚至更早的時候 許多天文學家就想出了估算恆星距離的方法 假設太陽是一顆典型的恆星 具有典型的固有亮度和大小 測量太陽與某顆恆星的相對亮度 然後利用亮度與距離平方成反比來計算恆星與太陽的距離比 然而他們都面臨著一個難題 那就是第二步的測量非常困難 由於太陽極其明亮 而恆星即使是最亮的恆星也極其黯淡 因此進行公平的比較幾乎是不可能的 這時惠更斯出現了 他首先使用一根長而厚大口徑的管子 透過它觀察夜空中最亮的恆星天狼星 然後他在管子的一端固定了一個遮光的黃銅圓盤 並在上面鑽了一些小孔 用於白天觀察 惠更斯意識到 如果他能鑽出越來越小的孔 只讓極少量的陽光透過 最終他就能鑽出一個非常小的孔 使其亮度在他眼中與前一天晚上看到的天狼星的亮度相同 不幸的是 對於惠更斯來說 即使他在黃銅圓盤上鑽得最小的孔 透過的光線也比他看到的任何一顆星星都要亮得多 於是他想到在最小的孔裡塞入微小的玻璃珠 進一步減弱穿透的光線 使其亮度大幅降低 惠更斯計算得出 與未經綠光處理的太陽光相比 他需要將太陽光的亮度降低7.653億倍 才能使其亮度與夜空中天狼星的亮度相當 由於亮度與距離的平方成反比 這意味著這個數字的平方根可以告訴他 這顆恆星與地球的距離是地日距離的多少倍 大約是27664倍 這相當於0.44光年 也就是地日距離的27664倍 事實上 天狼星並不完全像太陽 它的固有亮度大約是太陽的25.4倍 如果惠更斯知道這一點 他計算出的距離將是2.2光年 這與實際距離8.6光年更接近 考慮到這是1698年的估算 已經相當不錯了 早在1668年 艾薩克,牛頓的同代人兼好友詹姆斯 格雷戈裏撰寫了一篇題為 《幾何學通論》的論文 其中提出了一種巧妙的方法 可以說比惠更斯測量太陽 與恆星相對亮度的一方法更為優越 利用行星作為中介 如果你能找到一顆亮度 與某顆恆星亮度完全相同的太陽系行星 並在那一特定時刻觀測這顆行星 那麼你只需計算光線從太陽發出 到達行星之前傳播的距離和擴散程度 瞭解照射到行星上的陽光有多少倍反射 瞭解它所觀測的行星的直徑 以及計算行星反射的光線 在到達你的眼睛之前是如何擴散的 格雷戈裏自己做了一些初步計算 但他警告說 在獲得更精確的太陽系距離估算值之前 這些計算結果並不可靠 儘管格雷戈裏於1674年英年造勢 但牛頓擁有他著作的副本 並且非常熟悉這本書 並對格雷戈裏的計算進行了更精確的改進 一些人估計可能早在1685年就完成了 然而直到牛頓1727年去世後 他的最終手稿才被整理出版 並於1728年以《世界體系》為題問世 儘管他最初是打算作為他更為著名的 自然哲學的數學原理的第三卷 使用格雷戈裏的方法有明顯的優勢 您可以同時觀測天狼星和您選擇用於比較的行星 而無需依靠幾個小時前的記憶來比較亮度 您可以在相似的觀測條件下進行觀測 而且在牛頓定律問世之後 藉助牛頓的反射望遠鏡 人們可以同時瞭解行星的距離及其在該距離下的實際大小 儘管格雷戈裏最初使用木星作為校準點進行估算 但牛頓立即意識到 土星作為當時已知距離太陽最遠的行星 可以提供更好的基準 儘管木星總是比天狼星亮 而土星總是比天狼星暗 根據約翰·弗拉姆斯蒂德在1672年的觀測 牛頓知道土星與太陽的距離大約是地球與太陽距離的9到10倍 直徑也大約是地球的10倍 然而牛頓不知道的是土星的反射率及它的反照率 他猜測土星反射的照射到它上面的50%的光 而且它也像慧根斯一樣 不知道天狼星的固有亮度 他假設天狼星的亮度與太陽相同 他得出的答案比慧根斯或胡克的結果都要大 大約是地日距離的30萬倍 或者用現代術語來說 大約是4.7光年 三位科學家 三種方法 三個不同的答案 那麼恆星的真實距離究竟是多少呢? 慧根斯和牛頓的方法雖然在他們所處的時代 考慮到當時有限的儀器設備 已經非常巧妙 但都存在一個很大的問題 他們需要了解所觀測恆星相對於太陽的固有亮度 而這方面的知識直到20世紀天文學家才掌握 慧根斯即使考慮到天狼星比太陽固有亮度更高 仍然低估了它與地球的距離 而如果將同樣的修正應用於牛頓的方法 結果表明他顯著高估了天狼星的距離 格雷戈裏的原始估算 雖然公認不太可靠 但實際上比牛頓的估算更接近真實值 因為如果根據天狼星的實際固有亮度進行修正 得出的距離估算之為6.6光年 與真實值僅相差23% 另一方面 胡克可能使用了在現代仍然適用的最佳方法 但他卻嚴重誤解了他所觀測到的現象 正如科學史學家託尼·克里斯蒂所記載的 科學家詹姆斯·布拉德利在1725年進行了艱苦的嘗試 使用專門為此目的建造的多臺高精度望遠鏡來重現胡克的實驗 並利用他自己的房子和鄰居塞繆爾·莫利諾的房子進行獨立驗證 他們再次觀測了胡克觀測的那顆恆星 天龍座伽馬星 令人著迷的是 布拉德利確實觀察到這顆恆星的位置在一年中發生了變化 儘管變化很小 事實上 這顆恆星描繪出了一個微小的橢圓 這正是我們預期的形狀 因為地球繞太陽運行的軌道是橢圓形的 這一點早在17世紀初開普勒時代就已經為人所知 但布拉德利非常細心 他注意到這不可能是由於恆星時差造成的 原因很重要 位置變化的方向不對 正如克里斯蒂所寫 布拉德利知道這不是時差 因為位置變化的方向不對 根據時差理論 恆星應該向南移動時 它卻向北移動 反之亦然 布拉德利不敢相信自己的觀測結果 又花了一年的時間仔細重複觀測 結果還是一樣 那麼 是什麼導致了這種運動呢 布拉德利當時並不知道 他剛剛發現了恆星光行差現象 天體的位置會根據觀測者的運動而發生偏移 就從地球觀測到的天龍座伽馬星而言 觀測者的運動主要由地球繞太陽的運動所驅動 速度約為30公里每秒 約為光速的0.01% 雖然這足以證明地球確實繞太陽運行 但這根本不是對時差的探測 直到19世紀30年代 時差才被觀測到 當時 三位天文學家 託馬斯、亨德森、弗里德里希、貝塞爾和威廉、斯特魯維 分別觀測了三顆不同的恆星 並都觀測到了恆星在一年中的實際運動 從而確定地測量出了恆星時差 儘管亨德森在1833年就進行了觀測 但他直到1839年才發表結果 與此同時 斯特魯維在1837年發表了 關於織女性的初步但不甚可靠的數據 直到1840年才發表了更精確的測量結果 而貝塞爾則在1838年發表了他的高質量數據 因此他通常被認為是第一個發現恆星時差的人 真正具有劃時代意義的發明 是將攝影技術應用於天文學 這使得19世紀40年代首次拍攝到了月球和太陽的照片 並最終在1850年拍攝到了第一張恆星照片 通過比較照片 最初是肉眼比較 現在是計算機輔助比較 歐洲航天局的蓋亞衛星已經測量了超過11顆恆星的時差 時差 而不是量度測量 纔是真正測量恆星距離的方法 然而在早期進行的這三次估算中 胡克的時差距離估算結果是最糟糕的 雖然惠更斯和牛頓的估算結果與正確答案相差一個數量級 但胡克的測量結果卻誤差超過1000倍 天龍座伽馬星雖然相對較量 但實際上距離非常遙遠 距離超過150光年 直到1997年《伊巴古星表》出版後 才探測到它的時差 儘管作為人類 我們傾向於重視最終得到正確答案 而不管使用什麼方法 但在科學領域 真正重要的是所遵循的程序以及結果的可重複性