在太空中如何測量距離? - Yuan-Sen Ting

完整的課程請見：http://ed.ted.com/lessons/how-do-we-measure-distances-in-space-yuan-sen-ting

當我們仰望天空，只能擁有二維平面的視野。那麼，天文學家如何計算恆星、星系與地球的距離呢？ Yuan-Sen Ting告訴我們三角視差、標準的蠟燭還有許多幫助我們確定數十億光年距離的方法。

課程設計：Yuan-Sen Ting；動畫製作：TED-Ed。

我們都知道光線是最快的，

它是如此之快，
所以我們藉由光通過所需時間，

來衡量遙遠的距離。

光在一年中傳播
約10兆(9.46×1012)公里，

此距離稱為一光年。

給你一個概念，看看那有多遠：

阿波羅號的太空人花四天才到達月亮，

那只是光一秒所走的距離。

同時，與太陽最接近的恆星是比鄰星，

距離4.24光年遠。

我們的銀河系直徑約十萬光年。

距我們最近的星系「仙女座」，

大約250萬光年遠。

太空真是浩瀚無垠！

等等，我們如何知道
遙遠星體的距離呢？

畢竟，當我們仰望天空時，
只有兩維平面的視野，

如果你用手指著一顆星星，
你不會知道星星有多遠，

那麼，天體物理學家
如何明白測量距離呢？

對於那些距我們很近的星體，

我們可以使用三角視差的概念來測距。

這個想法很簡單，

讓我們做一個實驗：

伸出你的拇指並閉上你的左眼。

現在，打開你的左眼後
再閉上你的右眼。

拇指的位置看起來像是移動了，

而遠處背景中的物體仍然在原來位置。

當我們觀察星星時也適用同樣的概念，

但恆星的距離遠超過你手臂的長度，

且地球也不是很龐大，

所以即使你在赤道兩端
用望遠鏡看同一顆星星，

它位置的變化也不明顯。

相反，若我們間隔六個月來看，
星星的位置就會明顯不同了，

地球繞太陽軌道的兩側。

我們先在夏天測量一顆星星的位置，

然後冬天再測一次，
就像你用另一隻眼睛看一樣。

較近的恆星在遠處
恆星與星系的襯映下，

位置似乎移動了。

但這種方法只適用幾千光年遠的星體，

出了我們的銀河系，空間是如此之大，

視差小到連最靈敏的儀器都無法檢測，

所以我們得運用不同的方法來測距，

利用參考指標，我們稱之為標準燭光。

稱為標準燭光的星體，

我們已很清楚其亮度，

例如，如果你知道一個燈泡有多亮，

你請朋友拿著燈泡走遠，

你看到的燈泡亮度，

將以距離的平方減少。

因此，以你看到的亮度

與燈泡原來的亮度相比較，

你就能知道你的朋友走多遠了。

在天文學，我們的燈泡
是一種特殊類型的星體，

稱之為造父變星。

這類星體內部不穩定，

就像一個不斷充氣和放氣的氣球。

由於膨脹和收縮導致它們的亮度改變，

我們可以透過測量脹縮週期
來計算出他們的亮度，

越亮的星星變化的速度越慢。

經由比較這些恆星的亮度，

與我們計算出的固有亮度，

我們可以知道星體有多遠。

不幸的是，這仍然不是故事的結尾。

這樣我們還是只能觀察
約4億光年遠的單一恆星，

再遠，就因為太模糊而無法測距。

所幸的是，我們有另一種類型的標準燭光：

著名1a型超新星。

超新星爆發，即巨型恆星爆炸，
是恆星死亡的方式之一。

這些爆炸是如此明亮，

在星系中一枝獨秀。

所以，即使我們看不到
星系中的單一個恆星，

當超新星爆炸時，我們仍然可以看到。

以1a型超新星作為標準燭光，

因為較明亮的星體
褪色較暗淡者慢一些。

透過我們對亮度和下降率關係的了解，

我們可以利用這些超新星探測距離，

高達數十億光年遠。

但是，為什麼測量
遙遠物體的距離那麼重要呢？

好吧，記得光速很快吧！

例如，由太陽發射的光
只需要八分鐘就到達地球，

這意味著光我們現在看到的太陽
是8分鐘前的樣子。

當你看到北斗七星時，

你看到的是它80年前的景象。

而那些模糊不清的星系？

它們在百萬光年遠，

發出的光線費時數百萬年才到達地球。

所以，宇宙本身在某種意義上
是一個內置的時間機器。

我們愈往前追朔，
就發現我們所探索的宇宙愈年輕！

天體物理學家嘗試讀取宇宙的歷史，

並了解我們來自何處及如何到來。

宇宙正在不斷地以光的形式向我們發送訊息，

接下來，就看我們是否能將訊息解碼。