距离地球最近的恒星有40万亿公里，科学家怎么测出来的？

每次抬头仰望星空，你是不是也有这样的疑惑呢？天上的那些星星看得见却摸不着。它们究竟离我们有多远呢？科学家又是怎么知道的呢？今天咱们来一探究竟!

在这漫天的繁星中，有几颗是太阳系中的行星，例如金星和火星。它们到地球的距离，科学家是怎么知道的呢？有一个方法简单粗暴，就是对着它们“大喊一声”（画面：你过来啊！）想象一下，你想知道对面山峰的距离，最直接的方法就是对着它大喊一声，然后测量听到回声的时间。声音的速度已知，距离就能算出来。科学家就是用这个原理，只不过他们把“喊声”换成了无线电波或激光，把“回声时间”测量得无比精确。

雷达测距法

举个例子，如果想要知道金星的距离，科学家就得先向金星发射一束强大的无线电波脉冲，然后用巨型射电望远镜接收从行星表面反射回来的微弱信号，就像是倾听回声一样，记录下信号往返的精确时间（通常几分到几十分钟），乘以光速（无线电波以光速传播），再除以2，就得到了能精确到“米”级的金星距离。这就是雷达测距法。

激光测距法

此外，人们已经在月球表面放置了多个角反射镜阵列。这玩意就像自行车尾灯的反光板。如果我们朝着它发射一束激光脉冲，激光就会被反射原路返回。通过测量激光束往返的时间（约2.5秒），就能惊人的厘米级精度的地月距离。这就是激光测距法。

开普勒第三定律

此外，只要我们知道了某颗行星的公转周期，就能根据开普勒第三定律:行星公转周期的平方，与它轨道半长轴的立方成正比，就能立刻算出它到太阳的平均距离，继而也就知道它离我们有多远了。举个例子，木星的公转周期约为11.86年，那么木星到太阳的平均距离就是a = ³√(11.86²)≈5.2AU，即大约7.8亿公里。如此一来，我们再结合木星在轨道上的具体位置，就能知道它在某个时刻与我们的具体距离了。

除了太阳系中的这几颗行星，夜空中更多的是恒星。很显然，前面提到的那些测量办法都是行不通的。那我们又如何知道它们的距离呢？

看到这里，请竖起你的大拇指，放在眼前。先闭上右眼，用左眼看它，记住拇指前方对准的景物（比如窗框）。然后，闭上左眼，睁开右眼再看。你会发现，拇指的位置好像移动了！背景越远，这种移动越不明显。这个“移动”，在光学上叫做视差。你的两只眼睛之间的距离（约6-7厘米），就是测量的基线。基线越长，能测量的距离就越远。因此，这种“三角视差法”就可以测量恒星的距离。

怎么听着有些难以置信呢？难道我们竖起大拇指朝着天上的星星眨眼就能知道它们的距离了吗？我们来看看科学家是如何“眨眼睛”的？此时，我们得需要两只更大的“眼睛”：地球在绕太阳公转轨道上的两个位置——比如一月和七月，相隔约3亿公里！用这双超级“眼睛”去观测一颗较近的恒星，就会发现它相对于极其遥远的星空背景，在半年内发生了微小的位置摆动。

三角视差法

这个摆动的角度，就是“视差角”。利用简单的三角函数，距离 = 基线长度 / 视差角。当科学家测得一颗星的视差角是“1角秒”（1度的3600分之一），它的距离就被定义为一个秒差距（约3.26光年）。这就是宇宙距离的基本单位之一。举个例子：最近升起的天狼星的视差角约为2.64角秒，那么它到地球的距离为2.64秒差距，也就是大约8.6光年。

但是视差法也是有极限的，不能测量宇宙中所有天体的距离。这是因为距离越远，视差角呈倒数减小。也就是说，距离增加10倍，视差角就会减小到原来的1/10。欧洲的“盖亚”空间望远镜能达到的精度约1000秒差距（约3260光年）应该算得上是目前三角视差法能达到的极限精度了。一颗距离地球1000秒差距的恒星，它的视差角只有0.001角秒。这是什么概念呢？这相当于从北京看上海的一枚硬币的厚度，或者从地球看月球上一个苹果的大小。测量这样的角度，对仪器是终极挑战。因此，那些过于遥远（3260光年）以外的恒星，就很难用三角视差法来测量距离了。

盖亚空间望远镜

可是，现在我们知道银河系的直径就有10万光年以上，区区1000秒差距的距离只是银河系直径的一小部分而已。那些更加遥远的天体距离又该怎么测量呢？办法总比困难多。于是，科学家又想到了另一种办法。

如果你观察一下晚上路边的路灯就会发现一个很有趣的问题，虽然你知道这些路灯的亮度都是相同的，例如都是100瓦的，但是远处的路灯看起来就会更暗一些。这是因为光的亮度会随着距离平方衰减——距离翻倍，亮度会减弱到四分之一。于是，我们就可以通过路灯的亮度变化来推算出某个路灯离我们有多远。

科学家发现，宇宙中有一些天体本身真实的亮度是已知或可推算的。只要我们能认出它，再测量它看起来有多暗（视亮度），就能反推出它的距离。它们被称为天文学中的“标准烛光”。这里咱们介绍两种这样的天体：造父变星和Ⅰa型超新星。

标准烛光

造父变星是一种特殊的恒星。它们会像心跳一样规律性地脉动、明暗变化。上世纪初，天文学家亨利埃塔·莱维特发现了一个黄金定律：造父变星的脉动周期越长，其平均的真实亮度就越亮（周光关系）。我们只要在遥远星系里找到这样一颗“心跳恒星”，测出它的心跳周期（比如5天一亮暗或10天一亮暗），就能立刻知道它的“真实瓦数”。再看它在我们眼中有多暗，距离就一目了然。

美国天文学家埃德温·哈勃正是利用仙女座星系中的造父变星，计算出了仙女星系距离我们大约254万光年。

此外，宇宙中最耀眼的事件——Ia型超新星也可以用作“标准烛光”。它是一颗白矮星（恒星残骸）吸积伴星物质，达到一个极其精确的临界质量时引发的彻底爆炸。这个临界质量被称为“钱德拉塞卡极限”，约为1.44倍太阳质量。

Ia型超新星

由于触发机制相同，这类超新星爆炸的最大亮度几乎总是相同的，好比宇宙中当量完全一致的“标准原子弹”。它的亮度在巅峰时，足以与整个星系媲美，因此在极远处也能被看到。通过观察其亮度曲线，天文学家就能精确校准它的真实亮度，从而计算出它与我们的距离，也知道了它所在星系的距离。通过它我们可以测量出那些距离地球数十亿甚至上百亿光年的天体。因而，Ia型超新星成为了探测宇宙深处的终极量天尺。

1998年，科学家通过比较近处和极远处的Ia型超新星震惊地发现，宇宙膨胀不仅没有减速，反而在加速！这直接指向了神秘莫测的暗能量。

看来，要想知道一颗星星离我们有多远，其实根本不用“摸得着”，只需要“看得见”就可以了。其实那每一缕到达你眼睛的星光，都是一份穿越了浩瀚时空的密码。它们包含了恒星的众多参数信息。除了距离，你知道星光还会告诉我们哪些恒星的信息呢？评论区一起聊一聊吧！