測(cè)量恒星距離的重要性

郭紅鋒

天體測(cè)量的古老話(huà)題

天文學(xué)是地球文明最早發(fā)展起來(lái)的自然科學(xué)之一。古代科學(xué)家用肉眼觀(guān)星，借助于一些簡(jiǎn)單的輔助工具和數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)天空進(jìn)行了有限的調(diào)查。最早的系統(tǒng)天文觀(guān)測(cè)記錄可以追溯到公元前 1000 年左右的亞述人、巴比倫人以及同時(shí)代的中國(guó)古人。他們積累了關(guān)于天體的知識(shí)，并記錄了它們的周期性運(yùn)動(dòng)，但他們不知道恒星和行星有多遠(yuǎn)。

公元前2世紀(jì)，著名的希臘天文學(xué)家喜帕恰斯編制了一份恒星星表。他的工作在天文學(xué)家托勒密的書(shū)中被記載而流傳下來(lái)。為了測(cè)量天空中的角度，喜帕恰斯采用了至今仍在使用的古代巴比倫做法，將一個(gè)圓分成360度，每個(gè)度分為60角分。喜帕恰斯的星表是最早成功繪制天空?qǐng)D的嘗試之一，它以大約1度的精度，列出了天空中1000多顆恒星的位置。

早期的星表（包括中國(guó)的古代星表），基本上是在天球面上標(biāo)注恒星的位置和相互關(guān)系，沒(méi)有距離信息。因?yàn)榫嚯x是很難測(cè)量的參數(shù)。

近代有關(guān)恒星距離的測(cè)量

自從意大利天文學(xué)家伽利略于1609年制成第一個(gè)用于觀(guān)察天空的望遠(yuǎn)鏡，就開(kāi)啟了觀(guān)測(cè)天文學(xué)的新紀(jì)元，大大促進(jìn)了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展。望遠(yuǎn)鏡優(yōu)于眼睛的增強(qiáng)功能，使天文學(xué)家能夠收集充足的證據(jù)來(lái)測(cè)量和檢驗(yàn)由波蘭天文學(xué)家哥白尼提出的日心說(shuō)宇宙觀(guān)。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和日心說(shuō)宇宙觀(guān)被承認(rèn)，引發(fā)了天文學(xué)家對(duì)天體測(cè)量的進(jìn)一步熱情。很多天文學(xué)家都想測(cè)量地球繞太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的視差。但由于恒星太遠(yuǎn)，周年視差角太小，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平下，難以測(cè)量出令人信服的結(jié)果。直到在19世紀(jì)30年代后期，科學(xué)家才測(cè)量到織女星、南門(mén)二等幾顆近距離恒星的視差值。這些結(jié)果使天文學(xué)家首次確定了少數(shù)恒星的距離。從19世紀(jì)50年代開(kāi)始，攝影在天文觀(guān)測(cè)中的應(yīng)用改變了繪制天空星圖的技術(shù)，也使天體測(cè)量水平大大提高，天文學(xué)家開(kāi)始編制數(shù)量越來(lái)越大的恒星位置和距離的星表。

20世紀(jì)以來(lái)，大口徑、長(zhǎng)焦距的大型望遠(yuǎn)鏡和照相技術(shù)的結(jié)合，使測(cè)定視差的精度大大提高。當(dāng)時(shí)的技術(shù)可以測(cè)到視差角約1/100角秒，即當(dāng)恒星同地球的距離約等于100秒差距時(shí)，其周年視差的觀(guān)測(cè)誤差已相當(dāng)于其視差本身相等的數(shù)值，因此只有對(duì)距離小于100秒差距（1秒差距約等于3.26光年）的近距星，才能比較準(zhǔn)確地測(cè)定它們的三角視差。

由于受到地球大氣等干擾影響，直到20世紀(jì)上半葉，來(lái)自地面望遠(yuǎn)鏡的星表在規(guī)模和精度上雖然有所提高，但能測(cè)量到距離的恒星也只有10000顆左右。

現(xiàn)代的測(cè)量

為了得到更高精度的天體測(cè)量結(jié)果，就只有借助于太空望遠(yuǎn)鏡去太空進(jìn)行觀(guān)測(cè)了。

歐空局在1989年發(fā)射了著名的依巴谷衛(wèi)星（其英文名稱(chēng)的縮寫(xiě)采用Hipparcos，與古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯同名），中文稱(chēng)“依巴谷高精視差測(cè)量衛(wèi)星”，是歐空局發(fā)射的專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星的視差，從而計(jì)算恒星距離的衛(wèi)星。

依巴谷衛(wèi)星的目標(biāo)是對(duì)銀河系內(nèi)數(shù)十萬(wàn)顆較亮的恒星進(jìn)行測(cè)量。由于沒(méi)有大氣的干擾，依巴谷的精度比當(dāng)時(shí)的地面望遠(yuǎn)鏡高出10～100倍。它最終完成了上百萬(wàn)顆恒星的測(cè)量，遠(yuǎn)超最初的設(shè)想。依巴谷衛(wèi)星的巨大成功，為后來(lái)的天文學(xué)研究和衛(wèi)星導(dǎo)航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從 1989年到1993年，依巴古衛(wèi)星的數(shù)據(jù)讓天文學(xué)家以前所未有的精度繪制了超過(guò)10萬(wàn)顆恒星的位置、速度和距離。

蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡（與哈勃等其他太空望遠(yuǎn)鏡不同），是繼依巴古衛(wèi)星后，又一顆專(zhuān)門(mén)測(cè)量恒星的位置、距離和運(yùn)動(dòng)的高精度天體測(cè)量衛(wèi)星，它要在依巴谷衛(wèi)星遺產(chǎn)的基礎(chǔ)上繪制10億顆恒星的三維圖像，并探索我們銀河系的組成、起源和演化。相較于它的前任依巴谷衛(wèi)星，蓋亞望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量精度達(dá)到了當(dāng)代超高水平。蓋亞望遠(yuǎn)鏡探測(cè)的角分辨率一般情況下可達(dá)0.1毫角秒，最高時(shí)可達(dá)史無(wú)前例的0.024毫角秒。蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡最初的目標(biāo)是測(cè)量銀河系中大約15億顆恒星的相關(guān)參數(shù)（位置、距離、自行等），為銀河系做一次大規(guī)?！昂阈瞧詹椤?。雖然調(diào)查的樣本數(shù)大約只占銀河系恒星總數(shù)的1%，但是這足以讓天文學(xué)家欣喜若狂。

迄今為止，蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡已繪制出18億顆恒星的精確位置，并掌握其中大多數(shù)恒星與地球的精確距離，以及它們的運(yùn)行狀況?，F(xiàn)在，這臺(tái)“宇宙探索機(jī)器”正以令人難以置信的速度帶給人類(lèi)關(guān)于宇宙的新見(jiàn)解，很多天文學(xué)家都在對(duì)蓋亞所收集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，每天平均有3篇學(xué)術(shù)論文發(fā)表，都是基于該望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。有人評(píng)論說(shuō)，“蓋亞數(shù)據(jù)就像席卷天體物理學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)海嘯！該望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)涉及到天體物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從鄰近地球的恒星，到太陽(yáng)系行星，一直延伸至宇宙的邊緣。”

問(wèn)題：

對(duì)下一代高科技的宇宙探索儀器，你有什么天馬行空的想法？

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