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走近天文數字
（2008年06月03日 17:53:55）
來源︰中國國家天文
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□作者: 曉泓
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導語︰一般認為，天文學研究處理的數字都很大，所以人們用“天文數字”表示數目極大，同時又寓以“難以實現”之意。實際上，天文數字不僅僅是“非常大”，還有各種量級，從極大到極小，其內容非常豐富有趣，值得我們深入了解。
時差法測距，秒差距 |
獵戶的位置投影圖 |
在日常生活和工作中，我們無時不與各種數字打交道，可謂須臾不可離之。然而，至少在公眾心目中從未有物理數字、生物數字等之稱謂，唯有“天文數字”不時見于各類媒體。電視中常有此類新聞︰“一名農村孩子得重病，需手術費20萬元，對貧困家庭這無疑是一個天文數字，望有愛心者給以幫助。” 那麼，什麼算是天文數字？顯然，人們通常認為“天文數字”就意味著“非常大”。實際上這樣理解既正確，又不完全正確，謹希望本文能幫助讀者對天文數字有較為全面的認識。
天體的距離
天文學上把宇宙中的一切實體，無論其大小都統稱為天體，如月球、行星、小行星、衛星、彗星、流星體、太陽、恆星、星雲、銀河系、星系、星系團等等，包括地球也是一個天體。測定各類天體的距離對天文研究極為重要，而天體距離的共性特點可用一個字來概括，那就是“遠”。要是用日常使用的長度單位，如厘米、米或者千米來表示的話，天體距離便是一些非常大、以至令人不可思議的數字。
先來觀察一下太陽系內的情況。地球是一個接近球形的旋轉橢球體，赤道周長約4萬千米。地球上目前最快的交通工具當推飛機，如噴氣飛機的時速為 1,000千米，那麼不間斷地繞地球飛行一圈便需要40小時。地球到月球的平均距離為38.4萬千米，以1,000千米時速飛越這段距離需要384小時，即16天整。假想飛船以11.2千米/秒的第二宇宙速度直接奔向月球，那麼這段旅程僅需9.5小時。地球到太陽的平均距離為1.5億千米，噴氣飛機需飛上 5年又9個多月，即使乘上速度高達11.2千米/秒的宇宙飛船直奔太陽，也得化上155天，由此足見太陽距離之遠。
1.5億千米對地球人來說已經很難想象它究竟有多遠，但在天文學上卻只是一個很小的數字。盡管很難認定太陽系的範圍究竟有多大，但如以冥王星為界，則太陽系的直徑至少有120億千米，約為日地平均距離的80倍。
越出太陽系又會怎麼樣呢？最近的恆星——半人馬座比鄰星的距離為40萬億千米，是日地距離的26.7萬倍。太陽是銀河系中一顆普通恆星，銀河系的直徑至少有100億億千米。銀河系又是廣袤宇宙中數以百億計的星系中的一員，而目前所觀測到的最遠星系的距離約為1300萬億億千米！從這一連串數字你能得到什麼印象呢？也許除了感到數字都很大，而且一個比一個大外，什麼概念也沒有，主要原因在于這些典型的天文數字(用千米表示的天體距離)實在是太大了，以至使人對其內涵不得要領。
為了能對天體距離有較為明晰的概念，天文學上引入了一些專用的長度單位，這就是天文單位AU、光年ly和秒差距pc。它們的具體含義是︰(i) 日地平均距離(即地球公轉軌道半長徑)為1AU，即1.5億千米；(ii)光線在真空中行進1年所經過的距離為1 ly，即63,271AU，也就是9.5萬億千米；(iii)如空間某一點對地球公轉軌道半徑的張角為1角秒，則定義這個地方到地球的距離為1 pc，即3.26 ly，也就是206,265AU，等于30.8萬億千米。
天文單位主要用于太陽系內天體，如火星到太陽的平均距離為1.5AU，冥王星到太陽的平均距離約為40AU等，這顯然要比用千米來表達清晰得多。然而，用天文單位表示恆星的距離又嫌不夠了。例如，即使是最近的半人馬座比鄰星，它的距離已有267,000AU，而目前所能觀測到的最遠星系的距離可超過867萬億天文單位——又是一個很大的天文數字。這時可改用光年或秒差距來表述，半人馬座比鄰星的距離是4.22 ly，即1.29 pc，而最遠星系的距離為137億光年，或者說42.0億秒差距——盡管這個數字仍然很大，但感覺上自然要比1300萬億億千米或者867萬億天文單位舒服多了。比秒差距更大的長度單位是千秒差距kpc和兆(百萬)秒差距Mpc，1kpc即1,000 pc，1Mpc即1,000,000 pc。因此，最遠星系的距離約為4,250 Mpc，這個天文數字就不算太大了。
各類天體的距離都是一些很大的數字，公眾把天文數字理解為必然是大數字的主要原因之一即在于此。
天體的“身材”
現在來考察一下有關天體自身性質的一些天文數字的概念，其中包括天體的大小、質量、密度、溫度、光度(能量)和運動速度等。
首先來認識天體“身材”的大小。千萬別以為凡天體都很大，實際上不同天體的大小各異，而且差別極大。
我們比較熟悉的一些天體確實是相當大的。例如，地球赤道半徑為6.378千米，最大的太陽系行星——木星的赤道半徑為71,492千米，是地球的11.2倍，體積超過地球的1,400倍；最小的是水星，赤道半徑也有2,440千米。太陽系中已發現有140多顆衛星，其中最大的是木衛三，半徑 2,634千米，比水星還大，而最小的直徑只有幾十千米、甚至幾千米，它們大都是行星際探測器發現的，地面上很難觀測到。月球是地球唯一的天然衛星，半徑約為1,738千米，略大于地球半徑的1/4。太陽系中還存在數以十萬計的小行星，其中直徑超過100千米只是少數，最大的1號谷神星的直徑還不到 1,000千米，而絕大部分小行星的直徑小于1千米。
彗星是太陽系中形狀最為奇特的一類天體，一顆充分發展的彗星由彗頭(包括彗核和彗發)和彗尾兩部分組成，彗發的體積和彗尾的長度隨彗星的日心距而變化。彗發直徑一般可達幾萬千米或更大，如1811年大彗星的彗發直徑居然達到180萬千米。大彗尾可長達上億千米，寬度超過幾千千米，甚至可達 2,000萬千米，這時彗星赫然成為太陽系內體積最龐大的天體。根據彗星起源的“原雲假說”，在距太陽100,000AU處有一個巨大的彗星雲(奧爾特雲)，其中約有1000億顆彗星——這可是一個很大的天文數字。
恆星的大小差異極為懸殊。體積最大的是超巨星，這是恆星演化晚期的產物，半徑可達太陽半徑的1,000倍以上，有的甚至比木星的軌道半徑還大。最小的如中子星，半徑僅有10千米左右，而白矮星的半徑也只同地球不相上下。在恆星世界中，太陽屬于中等大小的恆星，但直徑已達140萬千米，為地球直徑的109倍，體積是地球的130萬倍。即使是太陽表面的大黑子，直徑也可達20萬千米之巨，足以放進幾十個地球！
在銀河系內，除了恆星外，還存在體積龐大、密度極低、形狀頗不規則的另一類天體，這就是星雲。星雲的尺度通常超過0.5pc，其中稱為巨分子雲的一類星雲的尺度平均為4pc，它們是恆星的誕生之地。個別特別大的星雲，如大麥哲倫雲中的著名發射星雲劍魚30，其直徑至少有300pc。
恆星因其形成條件和萬有引力的作用往往會集聚在一起，構成各類星團，如疏散星團、球狀星團等。疏散星團的直徑大多在2pc∼6pc範圍內，而球狀星團的直徑可達40pc∼150pc或更大，即使是前者已相當于400,000AU∼1,200,000AU，或者60萬億千米∼180萬億千米。作為比較，冥王星公轉軌道的半長徑僅為40AU，可見星團的尺度要比太陽系大多了。
比星團更大的恆星系統就是星系，目前可觀測宇宙中的星系總數可達1,000億個，其中包括我們的銀河系。星系中大的橢圓星系的尺度可超過 60kpc甚至更大，而最小的則不到1kpc。旋渦星系的尺度大多在16pc∼50kpc的範圍內，銀河系主體的直徑約為30kpc，可算是一個比較大的旋渦星系。
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文章作者:曉泓
責任編輯:skylook
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