攀爬宇宙的階梯（上）

陳厚尊

1977年，美國的夫妻檔導(dǎo)演查爾斯·埃姆斯和雷·埃姆斯拍攝了一部時(shí)長僅9分鐘的科普短片，中文片名譯為《十的次方》，展現(xiàn)的是從宏觀的已知宇宙到微觀的基本粒子的一系列典型圖像。影片始于高度約1米的俯拍畫面：一位白人男子剛與家人進(jìn)完午餐，安然地躺在草坪上休憩。之后，影片開始以每10秒放大10倍的速度，不斷提升觀眾視角。公園，芝加哥城，五大湖區(qū)，美國國土，以及整個(gè)地球相繼進(jìn)入視野。這感覺，仿佛再現(xiàn)了法國詩人雅克·普列維爾的那首著名詩歌《公園里》：

? ? 格林尼治時(shí)間2012年6月5日至6日發(fā)生了21世紀(jì)最后一次金星凌日天象。這幅圖是由位于日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)（L2）的SOH0衛(wèi)星拍攝的凌日路徑合成圖。這實(shí)際上是一幅偽色圖，真正的拍攝波段為17.1納米的極紫外波段。

清晨在蒙蘇利公園，公園在巴黎，巴黎是地上的一座城，地球是天上的一顆星。

然而，這僅僅是一場不可思議的旅行的開始。接下來的影像里，我們又依次目睹了地月系統(tǒng)、地球繞日軌道、九大行星（當(dāng)時(shí)冥王星尚未降級(jí)）、逐漸消失于繁星間的太陽、群星世界、銀河系旋臂一隅、銀河系、本星系群、本超星系團(tuán)……直至可見的全宇宙。其中，最后那張展現(xiàn)“已知宇宙”的影像看起來似乎混沌一片，毫無特點(diǎn)，而這恰恰與影片在微觀盡頭的某些圖像不謀而合（不知道是埃姆斯導(dǎo)演有意為之，還是當(dāng)時(shí)的拍攝技術(shù)限制所致）。哪怕你只是個(gè)對科學(xué)一無所知的門外漢，這部短短9分鐘的影片依然能喚醒你心底對自然、對宇宙的那份最原始的敬畏。

現(xiàn)代物理學(xué)研究的對象在尺度上總共跨越了45個(gè)數(shù)量級(jí)。近幾年，隨著哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）以及激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的投入運(yùn)行，人類的視野范圍又拓寬了三個(gè)數(shù)量級(jí)。在微觀領(lǐng)域，人類最靈敏的探測儀器所能感知的最小尺度差不多是1阿米?？赡苷Ｈ祟^腦里對這樣的單位沒有什么概念，但如果我告訴你這只有通常原子的一億分之一的話，或許對你會(huì)有幫助。前面提到的LHC和LIGO的靈敏度差不多都在阿米量級(jí)上。2012年，LHC一度達(dá)到最大設(shè)計(jì)運(yùn)行能量時(shí)，對撞機(jī)內(nèi)一枚質(zhì)子的德布羅意波長差不多是0.3阿米。2015年9月和12月，位于美國華盛頓州和路易斯安那州的LIGO接連探測到兩起發(fā)生于宇宙深處的恒星級(jí)黑洞合并事

件。事件產(chǎn)生的引力波擾動(dòng)在經(jīng)過LIGO的兩條4千米長的臂時(shí)產(chǎn)生的空間形變差不多也是1阿米。在宏觀領(lǐng)域，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的超深空場已經(jīng)捕捉到了大爆炸后僅4億年誕生的星系所發(fā)出的微弱光線。居此類排行榜首位的，是一個(gè)編號(hào)為GN-z11的高紅移星系，其紅移值達(dá)到了11.09，相應(yīng)的到地球的距離約320億光年。這已經(jīng)接近了理論上可見宇宙的半徑大小。

縱觀物理學(xué)面對的45級(jí)尺度階梯，天文學(xué)占了其中20個(gè)，即從107至1026，前者是地球直徑的量級(jí)，后者是可見宇宙半徑的量級(jí)。在物理學(xué)的其他分支中不可能找出比這更大的尺度跨越了。在不同的量級(jí)上，天文學(xué)的研究對象可謂千差萬別，但其中一個(gè)最基本的問題都不容回避，那就是天體的測距。這是我們認(rèn)識(shí)宇宙的基礎(chǔ)，沒有準(zhǔn)確的距離測量，天文學(xué)家就不能準(zhǔn)確了解天體的空間分布，也無法知曉宇宙在各種尺度上的真實(shí)結(jié)構(gòu)。此外，天體測距與天體的性質(zhì)與演化

也有重要關(guān)系。舉個(gè)例子，一顆恒星的視亮度主要由三個(gè)因素決定：一是恒星本身的亮度，二是恒星的距離，三是星際物質(zhì)的消光作用。若不考慮最后一個(gè)因素，剩余三個(gè)物理量無論測得哪兩個(gè)，都能立即算出第三個(gè)。一般而言，恒星的視亮度是容易測量的，只需用一套標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)對其進(jìn)行曝光即可。在此基礎(chǔ)上，如果我們能獲得恒星距離的信息，便能算得恒星本身的亮度，也就是恒星的絕對星等。該數(shù)值與恒星的色指數(shù)（可以簡單理解為恒星的顏色）一道，共同決定了恒星在赫羅圖上的位置。赫羅圖是一把開啟恒星世界奧秘的金鑰匙，任何與恒星有關(guān)的研究都離不開它。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎樟_圖之于恒星物理學(xué)，猶如藏寶圖之于海盜。解釋不同質(zhì)量的恒星在赫羅圖上的演化軌跡，是2 0世紀(jì)恒星物理學(xué)的首要任務(wù)。

既然天體距離的數(shù)據(jù)在天文學(xué)各分支中扮演了如此重要的角色，那么，天文學(xué)家的“武器庫”中都有什么辦法獲取它呢？前面提到，天文學(xué)研究對象的尺度涉及20個(gè)量級(jí)，因此，不同尺度的天體適用的測距方法和測距原理也全然不同。當(dāng)然，除了尺寸最小的地月系統(tǒng)以外，天文學(xué)家不可能當(dāng)真拿著一把“巨型尺子”，去實(shí)地丈量各天體間的距離。目前，激光測距技術(shù)是人類所能操縱的最大規(guī)模的“尺子”，利用它，我們可以實(shí)時(shí)測定月球到地球的距離變動(dòng)，精度能達(dá)到8厘米左右?？墒菍τ诟b遠(yuǎn)的天體，這兩種設(shè)備就有點(diǎn)鞭長莫及了。

對于太陽系以內(nèi)的天體，最適宜的測距方法是視差測距法。視差測距的原理，一言以蔽之，就是通過視差大小確定目標(biāo)與觀察者的距離。相信許多人對視差現(xiàn)象并不陌生。當(dāng)我們觀察周圍世界的時(shí)候，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)兩只眼睛呈現(xiàn)的視野并不重合，而是存在少許偏移，距離越遠(yuǎn)的物體偏移越小。以至于遙遠(yuǎn)的群山、天邊的云朵、頭頂?shù)男窃碌饶繕?biāo)，我們的雙眼就很難察覺出它們的視差，因而出現(xiàn)了“月亮走，我也走”的神奇現(xiàn)象。另外，在戰(zhàn)爭年代，熟練運(yùn)用“跳眼法”測距是許多炮兵的必修技能。其基本原理就是利用人的雙目視差。深諳“跳眼法”的炮手只需伸出大

拇指對著目標(biāo)比畫一下，就能心算出擊中目標(biāo)所需的炮筒仰角，然后一發(fā)即中。

天文學(xué)史上第一次大規(guī)模運(yùn)用視差測距法對太陽系內(nèi)的天體展開測距是在18世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)發(fā)生了兩次難得一見的金星凌日天象。實(shí)際上早在1716年，英國天文學(xué)家埃德蒙·哈雷就發(fā)現(xiàn)利用金星凌日的機(jī)會(huì)，天文學(xué)家可以大幅提高太陽視差的測量精度。所謂太陽視差，顧名思義，指的是兩個(gè)相距地球半徑那么遠(yuǎn)的觀察者同時(shí)觀察太陽中心時(shí)，彼此視線的夾角。它也等于從太

陽中心看地球時(shí)，視線張角的一半（為什么？讀者不妨思考一下）。太陽視差與日地距離的大小緊密相關(guān)，后者被稱為天文單位。天文單位是天文學(xué)中一個(gè)重要的參量，太陽系的實(shí)際規(guī)模與恒星距離等都與它有關(guān)。如此一來，如何精確測量“天文單位”就成了18世紀(jì)天文學(xué)的前沿課題。哈雷注意到，當(dāng)金星凌日現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在地球上可以看到有一個(gè)小黑點(diǎn)（也就是金星的影子）從太陽表面經(jīng)過。哈雷提出的方法，就是先在不同的觀測地點(diǎn)測定這個(gè)小黑點(diǎn)通過日面的時(shí)間，然后再經(jīng)過一系列計(jì)算，就可以求得太陽視差。他同時(shí)也預(yù)言了下一次金星凌日天象將發(fā)生于1761年。1761年6月6日，果然如哈雷所料，出現(xiàn)了金星凌日天象。不過，這次的凌日路徑比較靠近太陽邊緣，測量精度不夠理想。天文學(xué)家只好相約8年后，1769年6月3日的金星凌日。順便說一句，金星凌日天象的發(fā)生間隔非常有趣，自公元1518年以來，總是以105.5年、8年、121.5年、8年的模式間隔出現(xiàn)。這樣的模式還將持續(xù)至2846年。21世紀(jì)僅有兩次金星凌日，分別發(fā)生于2004年6月和2012年6月。如果你至今尚未目睹過金星凌日，那就要等到2117年12月才能彌補(bǔ)遺憾了。我們看到，18世紀(jì)60年代的兩次金星凌日就遵循了8年的間隔，而下一次就要等到1874年了！為了不錯(cuò)過這次機(jī)會(huì)，取得盡可能精確的太陽視差值，發(fā)生金星凌日當(dāng)天，天文學(xué)家在全球設(shè)立了76個(gè)觀測點(diǎn)同步觀測。英國皇家學(xué)會(huì)甚至聘請了大名鼎鼎的庫克船長，攜帶觀測設(shè)備提前一年從普利茅斯港起錨出發(fā)，前往南太平洋上的塔希提島（又譯大溪地）進(jìn)行觀測。雖然庫克小組的觀測效果因受“黑滴效應(yīng)”的影響，最終結(jié)果不太理想，但庫克船長的這次冒險(xiǎn)之旅成就了一段令人回味的遠(yuǎn)航傳奇。

需要補(bǔ)充說明的是，按照國際天文聯(lián)合會(huì)在2012年給出的最新定義，如今的“天文單位”不再與實(shí)際的地球公轉(zhuǎn)軌道有聯(lián)系，而是像“光年”一樣，成了一個(gè)人為定義的長度單位，數(shù)值上取作1.495978707億千米，約等于一年之中地球到太陽的平均距離。而太陽視差的值則取為8.794角秒（1度=3600角秒）。

既然視差法在太陽系內(nèi)部已經(jīng)取得了可喜的戰(zhàn)果，放之于廣袤的恒星世界又如何呢？不消說，視差測距法的適用范圍嚴(yán)重依賴兩名觀察者之間分開的距離，也就是觀察基線的長度。觀察基線越長，視差法測出的結(jié)果越精確，適用目標(biāo)也越遠(yuǎn)。地球直徑那么長的基線在18世紀(jì)太陽視差的測量計(jì)劃中已經(jīng)讓天文學(xué)家捉襟見肘了，還有比這更長的基線嗎？當(dāng)然有。地球本身就是一艘天然的“宇宙飛船”，它會(huì)以一年為周期，圍繞太陽周轉(zhuǎn)不休。相應(yīng)的，所有的恒星也應(yīng)以一年

? ? “依巴谷”衛(wèi)星與星軌想象圖。“依巴谷”衛(wèi)星本應(yīng)在地球同步軌道上運(yùn)作，但因助推火箭失效，衛(wèi)星只抵達(dá)了一個(gè)狹長的橢圓形霍曼轉(zhuǎn)移軌道。盡管如此，它仍出色完成了所有的科學(xué)任務(wù)。“依巴谷”衛(wèi)星的視差測量誤差小于1毫角秒，這在以往的地面觀測中是不可想象的。

為周期，在天球上畫著一個(gè)個(gè)微小的橢圓，稱為視差橢圓，相應(yīng)的視差被稱作恒星的周年視差。1769年的金星凌日天象過后，天文學(xué)家終于獲得了地球繞日軌道的準(zhǔn)確直徑，以此為基線的視差測量也有了精度上的保證。接下來，天文學(xué)家只需在6個(gè)月的時(shí)間間隔中，兩次測量同一顆恒星的位置，就一定能得出恒星的周年視差，進(jìn)而算出恒星的距離。

然而，理想是豐滿的，現(xiàn)實(shí)是骨感的。面對滿天燦爛的群星，18世紀(jì)的天文學(xué)家沒能測出其中任何一顆恒星的周年視差。在當(dāng)時(shí)，測不出恒星的周年視差，是托勒密日心說的擁躉者所能堅(jiān)守的最后一座堡壘。

時(shí)間進(jìn)入19世紀(jì)30年代。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家普遍堅(jiān)信，他們之所以測不出周年視差，原因要么是儀器不夠靈敏，要么是選錯(cuò)了測量對象。因此，只要堅(jiān)持改良儀器，減小系統(tǒng)誤差，搜尋近距離的恒星，必有打破僵局的一日。如此一來，一場不見硝煙的競賽就在測量恒星視差的領(lǐng)域悄悄展開了。最終贏得比賽的，是德國天文學(xué)家貝塞爾，他在1838年率先發(fā)表了天鵝座61星（中文名天津增廿九）的周年視差。他當(dāng)時(shí)測得的數(shù)值是0.314角秒，對應(yīng)的距離是10.3光年（今日值11.4光年）。事后看來，當(dāng)時(shí)的競賽真的是很激烈。差不多就在貝塞爾發(fā)表自己結(jié)果的同時(shí)，俄國天文學(xué)家斯特魯維和蘇格蘭天文學(xué)家亨德森也分別測得了織女星和南門二的周年視差。

自從成功測得恒星的周年視差后，天文學(xué)家就定義了一種新的距離單位：秒差距，它表示周年視差為1角秒的目標(biāo)所對應(yīng)的距離，數(shù)值上約等于3.26光年。當(dāng)然，實(shí)際的恒星距離都要比1秒差距來得遠(yuǎn)，這樣定義只是圖個(gè)方便。若以秒差距為距離單位，以角秒為周年視差單位，則恒星的距離與周年視差就是簡單的倒數(shù)關(guān)系。因此在現(xiàn)代天文學(xué)中，“距離”與“視差”基本就是一對同義詞。

雖然從原理上講三角視差法用到的幾何關(guān)系都非常簡單，但在地面上實(shí)際操作起來往往就很復(fù)雜了。首先，大氣的各式流動(dòng)污染了恒星的像，使其成為半徑1角秒的圓斑，因此實(shí)際處理恒星的像時(shí)要非常小心;其次，要判斷恒星的運(yùn)動(dòng)情況往往要在背景上選定一些參考星，而參考星本身也存在視差運(yùn)動(dòng)，只是幅度非常小而已，因此有必要把實(shí)際測得的“相對視差”進(jìn)行某種統(tǒng)計(jì)改正，以換算為“絕對視差”;等等。然而這一切在太空環(huán)境中都不是問題。為了徹底消除大氣層的干擾，提升三角視差法的精準(zhǔn)度，1989年8月8日，一顆以古希臘天體測量學(xué)先驅(qū)依巴谷之名命名的衛(wèi)星，由歐空局的亞里安IV型火箭運(yùn)載升空?！耙腊凸取毙l(wèi)星僅僅在太空服役了5年，便以空前的精度測量了12萬顆恒星的準(zhǔn)確位置以及周年視差數(shù)據(jù)。其中，測得距離最遠(yuǎn)的恒星

為100秒差距至200秒差距，誤差小于20%。這相當(dāng)于宇宙尺度階梯的第18級(jí)（10 18）。

然而，就算在“依巴谷”衛(wèi)星的協(xié)助下，天文學(xué)家也只測得了銀河系中極少數(shù)恒星的周年視差。不過，這并不妨礙三角視差法在天文學(xué)史上的重要地位，尤其是“依巴谷”升空以后，成為天文學(xué)家攀爬后面8級(jí)宇宙階梯的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（待續(xù)）