銀河系直徑16萬光年,光都要走16萬年,科學家怎麼測的?

光年是什麼?

光年是距離單位,在天文學領域應用非常廣泛。真空中的光速每秒約30萬公里(1秒鐘可以繞地球赤道7圈半)。1光年就是光在1年內走過的距離,換算成我們平時比較熟知的單位約是9.46萬億公里。

太陽系的半徑估計有1光年,至于銀河系的直徑更是高達16萬光年。太陽距銀河系中心大約2.6萬光年,位于銀河系內環。宇宙之大,遠超我們的想象,1光年在浩瀚的宇宙中就如同日常生活中的1米。

之所以用光來丈量距離,是因為光速是宇宙中最快的速度,是一切物體運動速度的上限,並且光速在不同參考系下恒定不變,是一把非常精確好用的尺子。

由于光在很短的時間內就能傳播得非常遠,所以在太陽系內用光年並不合適,比如地球和月球之間的平均距離大約為38萬公里(僅1.3光秒),太陽與地球的平均距離大約1.5億公里(僅8.3光分)。

關于銀河系的直徑,有多個版本,但基本都在10萬到20萬光年之間,其中16萬光年是一個採用比較多的資料。

那銀河系的直徑是如何測量的?

16萬光年的距離,光穿越銀河系中心橫渡銀河,需要約16萬年的時間。連光都要傳播這麼久,那人類是如何測得銀河系直徑的?

銀河系由上千億顆恒星構成,太陽系這個恒星系統位于銀河系之中。從側面來看,銀河系就像是一個中間凸起、邊緣扁平的飛碟。要想測得銀河系的直徑,只需要測量太陽與銀河系中心恒星的距離,以及太陽與銀河系邊緣地帶恒星的距離,就可得出銀河系的直徑。也就是說,測量銀河系直徑的問題,可以轉化為測量恒星距離的問題。

對于太陽系內距離地球比較近的天體,比如月球、金星等,可以通過計算電磁波(光也是電磁波)反射過程的往返時間差進行測距,鐳射測距和雷達回波測距都是基于這種原理。

對于16萬光年的距離,光都需要走16萬年,這麼長的時間我們肯定是等不起的,而且技術條件上也不允許。因此,測量太陽系外的天體距離時,上面這種方法是完全不可行的。

不過,這並不代表我們無法在短時間內測量這一段距離,因為測量天體距離的方法實際上有很多種。

其實,在人類還未發現無線電波的時候,科學家就已經能通過力學參數、地心/地平視差法、淩日法等估算日月距離、日地距離及太陽系內其它行星的距離。

現代天文學領域常用的對太陽系外恒星或者星系等發光天體測距的方法主要有三大類:

1,一類是基于視差,利用三角形原理進行測距,代表方法:三角視差法。

所謂視差,就是在一定距離上從兩個不同觀測點觀測同一個目標所產生的方向差異,這會形成一個張角,這個角被叫作視差角,視差角所對應的那條線段被稱之為基線。基線長度是已知的,通常基線越長,對視差角的測量精度越高,通過這一方法測量的距離也就越精確,能夠測量得越遠。比如用地球公轉軌道直徑作基線,大約可以測量數百光年以內的恒星距離。

2,另一類是基于恒星的亮度和距離的關係測距,代表方法:造父變星法。

恒星就像細胞一樣,是形成各種天體結構的基本單元,它們雖然都能發光,但亮度各不相同,並且觀察距離的遠近也會影響亮度。對于一顆明亮的恒星,它究竟是離我們距離較近,還是亮度較高,對此必須要加以區分。于是天文學家為恒星的實際亮度定義了絕對星等,對視亮度定義了視星等,絕對星等M、視星等m、距離D之間的關係為:M=m+5-5log D 。如果我們能夠知道遙遠恒星的絕對星等,再加上觀測得到的視星等,就能得出恒星與我們的距離。科學家發現,有些恒星(比如造父變星、Ia型超新星)可以根據一些原理推測出它的絕對星等,把它們當做標準燭光,用來丈量天體的距離。

3,最後一類是基于哈勃定律,代表方法:哈勃紅移法。根據哈勃定律,由于宇宙在加速膨脹,遙遠的星系都在遠離我們,並且距離我們越遠,遠離我們的速度就越快,我們觀測到的光譜紅移量也就越大。這種方法主要用于測量遙遠星系的距離,畢竟在這麼遠的距離上,單顆恒星的光根本看不到。

對于這三類方法,在測量銀河系直徑的路上,科學家能夠用到的就是第二類,這種方法的測距范圍比較廣。通過這類方法的綜合運用,科學家才測得了銀河系的直徑。由于銀河系的邊緣究竟以哪裡為界,科學界也沒有公論,所以銀河系的直徑有多個數值,現在還沒有蓋棺定論。

地球夜空中99.9%的星星都是銀河系內的恒星,而宇宙中大多數能夠被我們觀察到的天體都是恒星,就連星系也是由恒星構成的。不管啥天體,實際上只要能夠被我們觀察到,基本上就能夠測出大致的距離。當我們得知距離後,還能夠據此估算星系的尺度。至于測量精度,當然是距離我們越近的測量精度越高。


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