太阳离我们有这么远 单位长度149597870700米
2014-09-08 00:40:02   来源:化石网   评论:0 点击:

三角视差测量法示意图  新闻背景  在不久前于北京召开的国际天文学联合会第28届大会上,全票通过决议更改天文单位的定义,规定将天文单位的长度确定为149597870700米。  日地距离  原本不是一个常数  



 

三角视差测量法示意图

 

  新闻背景

 

  在不久前于北京召开的国际天文学联合会第28届大会上,全票通过决议更改天文单位的定义,规定将天文单位的长度确定为149597870700米。

 

  日地距离

 

  原本不是一个常数

 

  正如我们所知,所谓天文单位的原始含义就是太阳到地球之间的距离。

 

  国际天文学联合会第28届大会的每日通讯名为《天问》,取自屈原《楚辞》中同名的著名篇章。屈原的《天问》中有这样几句:日月安属?列星安陈?出自汤谷,次于蒙氾。自明及晦,所行几里?

 

  自古以来,人类就对太阳——这颗主宰着地球光与热的明亮天体充满了好奇,他们都想知道这个问题的答案:太阳到底离我们有多远?

 

  即使我们处在21世纪第二个十年的开端,这个看起来简单的问题也无法用一句话来回答,这也就是为什么在国际天文学联合会第28届大会上,要通过不记名投票来表决是否改变日地距离的定义。

 

  1976年,国际天文学联合会颁布了一系列天文研究采用的最重要单位,其中之一就是被称为“天文单位”(简写为AU)的日地距离。按照国际天文学联合会的原始定义,日地距离是“在太阳引力作用下沿以太阳中心为圆心的圆轨道,以每天0.01720209895弧度的角速度运动的无质量粒子的轨道半径”。当时公布的数据为1天文单位等于149597870.691千米。

 

  这样定义的日地距离除了定义本身晦涩难懂外,还有个让人很难接受的问题:既然是“基本单位”,似乎应该是个定数,但按照1976年国际天文学联合会的定义,天文单位是个不断变化的数值。首先,太阳的质量是在不断减小的。按照开普勒第三定律,太阳的质量变化会导致天文单位的数值发生缓慢的改变。其次,根据爱因斯坦的广义相对论,时空的定义是相对的,与观测者所处的时空有关。按照上述定义,在太阳系内不同地方测量到的天文单位数值就会不同,比方说在木星(太阳系内质量最大的行星)上测得的天文单位与在地球上测得的要相差1000多千米。

 

  正是为了解决这样的问题,2012年8月30日第28届国际天文学联合会大会发表了B2决议,全票通过更改天文单位的定义。规定将天文单位的长度确定为149597870700米,不再是一个不断变化的数值。同时米被定义为光在真空中行进1/299792458秒的长度。

 

  对于百姓的日常生活而言,日地距离究竟是149597870700米,还是一个随时会改变的数值都无关紧要。但对于专业的天文学家来说,要接受一项沿袭已久的改变并非易事。

 

测量日地距离已有两千多年历史

 

  回顾人类确定天文单位(也就是日地距离)的历史,几乎等于回溯整个天文学的历史。在对这个基本单位的数值探求之路上,耳熟能详的若干位天文学家一一登场。

 

  公元前3世纪,希腊的阿里斯塔克斯最早给出了对日地距离的估计,大约为地球半径的380倍至1520倍(现在的测量值大约为23000倍)。

 

  公元前2世纪,著名天文学家依巴谷曾根据太阳的“最小可接受视差”为7角分,推算日地距离大约为地球半径的490倍。视差是天文学家经常采用的概念。如果你闭上左眼只用右眼看挂在房间另一端的图钉,然后反过来,闭上右眼只用左眼看,你会发现图钉的位置发生了变化。这就是视差:相距足够远的两个观测者观测同一个目标所产生的方向差异。从目标看两个观测者之间的夹角,称为两点的视差,两点之间的连线称作基线。只要知道视差角度和基线长度,就可以计算出目标和观测者之间的距离。天文学家一直以来就是用这个办法直接测量较近天体的距离的。

 

  到了公元2世纪天文学家托勒密登场,日地距离也扩大至1210倍的地球半径,这个数值一直保持到16世纪。直到1627年,科学家开普勒才发现托勒密给出的日地距离太小。1609年,另一个科学巨匠伽利略将望远镜指向天空,人类终于可以开始借助肉眼之外的仪器测量天体。1635年,天文学家文德林重复了阿里斯塔克斯的实验,将日地距离扩大至托勒密数值的11倍。

 

  利用“金星凌日”测算日地距离

 

  更加精确的测量是通过我们刚刚经历的一种罕见天象完成的——金星凌日(即从地球上看,金星刚好从太阳表面经过,2012年6月6日是本世纪最后一次金星凌日)。1662年霍洛克通过对1639年金星凌日的测量得到太阳视差为15角秒的结论。太阳视差越小表明太阳的距离越远,15个角秒的视差对应着日地距离大约为13750个地球半径。17世纪科学家惠更斯最先得到与今天的测量值最接近的数值——日地距离大约为24000个地球半径,虽然他的结论因为采用了很多不明所以的假设而大打折扣。

 

  1672年适逢火星大冲(太阳、地球和火星刚好位于一条直线上,而且火星与地球位于太阳同侧,二者之间的距离最近),天文学家卡西尼(土星美丽光环的缝隙即以他的名字命名)和瑞奇分别在巴黎和法属圭亚那(南美洲)两地观测火星,得到的太阳视差为9.5角秒。与此同时,皮卡德于1669年精确测得了地球半径,而罗默也于1676年测到了光速值,这一切都为日地距离的精确值做好了准备。1663年,格里高利(著名的格里高利历就是他的杰作)发表了误差更小的金星凌日观测方法,被著名的天文学家哈雷(就是“哈雷彗星”的哈雷)广为宣传。1761年和1769年,以及1874年和1882年的两组四次金星凌日都采用了格里高利的观测办法。尽管期间战火弥漫硝烟滚滚,好几位天文学家甚至为此付出了生命的代价,但1895年拉朗德给出的149250000000米的数值,可以告慰这些天文学家的在天之灵。它与现代数值已经非常相近。

 

  日地距离数值的精度随着科技的日新月异而不断得到提高,纽康在测量光行差的过程中给出了8.80角秒的太阳视差值,与今天的8.794143角秒已经相差无几,是1896年确定的第一批国际天文学常数之一。而“天文单位”一词于1903年开始使用。到了20世纪60年代,人类开始采用雷达直接测定金星和火星的距离。如今天文单位已经被固定为149597870700米。

 

延伸阅读

 

  中国天文学家与天文单位

 

  新的天文单位定义是在2012年中国北京通过的。事实上,天文单位与中国的关系更久远。

 

  我们的祖先早在公元前1世纪就给出了日地距离的算法。《周髀算经》明确说明在相距各1000里的三地,利用正午时测得的立杆影长,再假定地球是平面就可算出日地距离。

 

  而中国天文学家黄天衣教授也是新的天文单位定义的最早发起人之一。早在1995年,黄教授就在《天文和天体物理》杂志上发表论文提出新的天文单位的定义,并得到法国伯纳德·贵诺特等同行的响应。但因各种原因当时这个提议未被采纳。2008年,贵诺特和卡皮特内、克莱内等人再次提出重新定义天文单位的提议,并于2009年提出草案,新的定义才在2012年的国际天文学联合会大会上表决通过。 (作者为北京天文馆科普部主任)

 

来源:北京日报(作者:陈冬妮)

 

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