科學(xué)家告訴我們，雖然宇宙中的天體數(shù)量多得難以計(jì)數(shù)，但是天體在宇宙空間中的分布卻非常稀疏，以至于其他天體與地球的距離動(dòng)輒就是成千上萬(wàn)光年。相信大家在對(duì)此表示感嘆之余，不免也會(huì)有點(diǎn)將信將疑，天體與地球的距離到底是怎么計(jì)算的？靠譜嗎？
實(shí)際上，已知天體的距離都是通過(guò)多種科學(xué)方法得出來(lái)的結(jié)果，并非拍拍腦袋就給出來(lái)的數(shù)據(jù)，從整體上來(lái)看，這些數(shù)據(jù)都是比較靠譜的。下面我們就以從近到遠(yuǎn)的順序來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下，科學(xué)家是怎么計(jì)算天體離地球有多遠(yuǎn)的。
對(duì)于距離地球較近的天體來(lái)講，三角視差法是科學(xué)家最常用的測(cè)距方式，為了方便理解，我們不妨來(lái)做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。
如果你在視野較為開(kāi)闊的情況下伸出大拇指，并把胳膊平舉在自己的面前，然后再分別閉上左眼和右眼進(jìn)行觀(guān)察，那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，你的大拇指相對(duì)于較遠(yuǎn)處的背景劃過(guò)了一個(gè)角度，這個(gè)角度就被稱(chēng)為“視差”。
在這種情況下，你只要測(cè)量出這個(gè)“視差”的角度，以及你兩只眼睛之間的距離，就可以通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出你的大拇指與你的雙眼的距離了。
同樣的道理，地球一直在圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一圈就是一年，這就意味著，在不同的時(shí)間點(diǎn)，地球在空間中的位置是在變化的，如果我們?cè)诘厍蛏嫌^(guān)察同一個(gè)天體，也會(huì)存在“視差”。
比如說(shuō)我們?cè)?月的時(shí)候記錄好一顆恒星在背景星空中的位置，然后在7月的時(shí)候再記錄這顆恒星在背景星空中的位置，將兩者進(jìn)行對(duì)比之后就可以得到一個(gè)三角形。
如上圖所示（注：實(shí)際情況沒(méi)這么夸張），這個(gè)三角形的底就是地球公轉(zhuǎn)軌道的直徑，也就是2天文單位，它所對(duì)的角就是“視差”，它的角度可以通過(guò)這顆恒星在背景星空中的位移計(jì)算出來(lái)，在此之后，科學(xué)家就可以通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出這顆恒星與地球的距離。
由于距離越遠(yuǎn)“視差”就越小，因此三角視差法是有很大局限的，通常來(lái)講，這種方法只適合測(cè)量100秒差距（約326光年）以?xún)?nèi)的天體距離。那對(duì)于更遠(yuǎn)距離的天體，又應(yīng)該怎么辦呢？
我們知道，對(duì)于同一個(gè)發(fā)光體來(lái)講，它距離我們?cè)竭h(yuǎn)，在我們眼中就越暗淡，其實(shí)這個(gè)規(guī)律也適用于宇宙中的那些發(fā)光的天體，比如說(shuō)恒星。
在天文學(xué)中用“絕對(duì)星等”來(lái)描述恒星的真實(shí)發(fā)光本領(lǐng)，用“視星等”來(lái)描述我們所看到的恒星亮度，這兩者的關(guān)系可用公式“M = m + 5 x log10（d0/d）”來(lái)進(jìn)行描述（注：公式中的M表示“絕對(duì)星等”，m表示“視星等”、d0為10秒差距（約32.6光年）、d為觀(guān)測(cè)者與目標(biāo)恒星的距離）。
也就是說(shuō)，科學(xué)家只需要知道一顆恒星的“視星等”以及它的“絕對(duì)星等”，就可以根據(jù)上述公式計(jì)算出它與地球的距離，其中“視星等”是可以直接測(cè)量的，而“絕對(duì)星等”則可以通過(guò)觀(guān)測(cè)恒星譜線(xiàn)的強(qiáng)度或?qū)挾炔町?，再結(jié)合“赫羅圖”進(jìn)行估算。
值得注意的是，宇宙中有一些特殊天體的“絕對(duì)星等”是非常有規(guī)律的，其中最具代表性的就是“造父變星”和“Ia型超新星”。
顧名思義，“造父變星”就是一種亮度會(huì)發(fā)生變化的恒星，根據(jù)科學(xué)家的觀(guān)測(cè)，這種恒星的亮度會(huì)發(fā)生周期性的變化，并且其發(fā)光總量與光變周期存在著嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系。也就是說(shuō)，我們只需要測(cè)量出一顆“造父變星”的光變周期與它的“絕對(duì)星等”的關(guān)系，就可以將這個(gè)規(guī)律推廣到和它同類(lèi)型的所有“造父變星”。
幸運(yùn)的是，“造父變星”在宇宙中普遍存在，即使在地球100秒差距之內(nèi)，也存在著這樣的恒星，所以我們就可以先測(cè)量出距離地球較近的“造父變星”的“視星等”，然后通過(guò)三角視差法計(jì)算出它們與地球的距離，再通過(guò)前面提到的公式，就可以計(jì)算出它們的“絕對(duì)星等”了，接下來(lái)，我們只需要持續(xù)觀(guān)測(cè)，就可以得到它的光變周期與它們的“絕對(duì)星等”的關(guān)系。
在此之后，我們就可以通過(guò)觀(guān)測(cè)分布在宇宙中的那些遙遠(yuǎn)的“造父變星”的光變周期，再結(jié)合它們的“視星等”，就可以計(jì)算出它們與地球的距離，然后再以這些“造父變星”與地球的距離為“標(biāo)尺”，就可以得知在它們附近的其他天體與地球的距離了，正因?yàn)槿绱耍霸旄缸冃恰币脖豢茖W(xué)家稱(chēng)為“量天尺”。
“Ia型超新星”則是一種特殊的超新星，它們通常出現(xiàn)在宇宙中的那些雙星系統(tǒng)。
如果宇宙中某個(gè)雙星系統(tǒng)中的一顆恒星演化成了巨星，另一顆恒星演化成了白矮星，并且兩顆恒星的距離足夠近，那么致密的白矮星就會(huì)不斷地吸收松散的巨星的物質(zhì)，隨著這個(gè)過(guò)程的持續(xù)，當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量的時(shí)候，其自身的重力就會(huì)引發(fā)失控的熱核反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生超新星爆發(fā)。
“Ia型超新星”非常明亮，其亮度可與整個(gè)星系媲美，即使距離非常遙遠(yuǎn)，我們?cè)诘厍蛏弦部梢杂^(guān)測(cè)到它們。
由于“Ia型超新星”總是發(fā)生在白矮星的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍的時(shí)候，因此宇宙中所有“Ia型超新星”的“絕對(duì)星等”都是固定的，并且是可以計(jì)算的，所以科學(xué)家也將它們稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，我們只需要測(cè)量出它們的“視星等”，就可以根據(jù)前面提到的公式計(jì)算出它們與地球的距離。
從理論上來(lái)講，通過(guò)對(duì)上述方法的綜合使用，可以測(cè)量100億光年之內(nèi)天體距離，如果距離超過(guò)了100億光年，就需要通過(guò)測(cè)量天體的宇宙學(xué)紅移來(lái)進(jìn)行計(jì)算了。
觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，宇宙一直處于一個(gè)膨脹的狀態(tài)，這會(huì)造成宇宙中的天體都會(huì)因此而具備一個(gè)互相遠(yuǎn)離的速度，這也被稱(chēng)為“退行速度”，對(duì)于宇宙中的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)講，距離每增加1百萬(wàn)秒差距（約326萬(wàn)光年），“退行速度”就會(huì)增加67.8（±0.77）公里/秒。
正因?yàn)槿绱?，那些非常遙遠(yuǎn)的天體都在以極快的“退行速度”遠(yuǎn)離地球，在這個(gè)過(guò)程中，它們向地球方向發(fā)出的光的波長(zhǎng)就會(huì)變長(zhǎng)，同時(shí)其頻率也會(huì)相應(yīng)地降低，這在光譜上表現(xiàn)為譜線(xiàn)向著紅端移動(dòng)了一段距離，這種現(xiàn)象就是所謂的“宇宙學(xué)紅移”。
由于天體與地球的距離越遠(yuǎn)，“退行速度”就越快，其紅移值也就越明顯，因此我們只需要測(cè)量出某個(gè)遙遠(yuǎn)天體的紅移量，就可以計(jì)算出它與地球的距離。
結(jié)語(yǔ)
總而言之，所謂的“天體與地球的距離動(dòng)輒成千上萬(wàn)光年”，其實(shí)是科學(xué)家通過(guò)大量的實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，再結(jié)合相關(guān)的理論計(jì)算出的結(jié)果，雖然由于觀(guān)測(cè)水平的限制，這可能會(huì)存在著一定的誤差，但從整體上來(lái)講，科學(xué)家給出的數(shù)據(jù)還是相當(dāng)靠譜的。
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