1990年2月14日,旅行者1号在距离地球64亿公里之外给地球拍了张照片。照片的名字叫“暗淡蓝点”,这张照片里的地球如同一粒尘埃。
故宫里有件文物叫金嵌珍珠天球仪,这件国宝展示了一种上帝视角,不是站在地球看星空,而是透过宇宙看星空。它的观测角度,比旅行者1号还要远很多很多。
我们站在地球上,晚上一抬头就会看到美丽的星星。除了太阳系内部的几颗行星外,大部分肉眼可见的星星都是其它星系的恒星。就像视频中所看到的天球仪上镶嵌的星星一样,这些恒星距离我们非常遥远,就算是跑得最快的光,到达我们也需要许多许多年的时间。那么,我们如何测量这些星球到地球的距离呢?
1、视差法和秒差距
测量恒星的距离,最基础的方法是三角视差法。
我们不妨先从一个简单的例子说起。假如有一棵树非常高,我们如何才能测量出这个树的高度呢?
首先我们观察数根和树梢,得出两个观察方向,并且测量它们的夹角。然后我们再测量出观察点和树之间的水平距离,根据三角形的知识,就可以求出树的高度。
三角视差法基本原理与之类似。由于地球绕着太阳旋转,一年中的不同时刻,从地球上观察某个遥远的星球,视线的方向是不同的,我们可以在冬天和夏天记录观察星球时的视线方向,并且测量两个方向的夹角。
恒星的视差和秒差距长
我们知道,一个圆周角为360度,每度又可以分为60角分,每分又可以分为60角秒,于是一角秒就等于1/1296000圆周,是一个非常小的角度。假如冬天和夏天观察同一颗恒星时,观测方向夹角为2角秒,那么恒星与地球的连线和恒星与太阳连线的夹角就约等于一角秒,此时我们就称恒星距离地球为一个秒差距(pc)。
我们再把日地距离写作一个天文单位ua,把太阳(S)地球(E)和该天体(D)画成一个三角形,根据三角形的关系可以计算出地球和天体之间的距离SD为一个秒差距,大约是1pc=206265ua,也就是接近于20万个天文单位。
根据这种方法,人们测量了距离地球最近的恒星——比邻星,它到地球的距离为1.3秒差距,大约相当于27万个天文单位,银河系中心到地球大约8000秒差距,大约相当于16亿个天文单位。
2、开普勒三定律
可是,为了测量出具体的数值,我们还必须测量一个天文单位,也就是地球到太阳的平均距离到底是多少。这个问题又是如何测量的呢?
也许有同学说:我们可以发射一束激光到太阳上,等它反射回来,再测量时间差。这种方法是不行的,因为日地距离太遥远了,我们发射的激光很难到达太阳。就算激光到达了太阳,反射光也会淹没在巨大的太阳辐射光中,没法分辨。
为了了解日地距离的测量方法,我们首先从一个天文学家——开普勒说起。
开普勒
开普勒是十七世纪德国的天文学家和数学家。当时普鲁士皇帝鲁道夫二世的御用天文学家是从丹麦来的第谷,而开普勒是第谷的助手。第谷死后,开普勒致力研究第谷留下的海量天文观测数据,写成了巨著《新天文学》。
在《新天文学》以及相关著作中,开普勒提出了著名的行星运动三大定律:

