三泰书斋 / 1.天文常识 / 天文数字有多大

分享

   

天文数字有多大

2020-07-10  三泰书斋

    一般认为,天文学研究处理的数字都很大,所以人们用“天文数字”表示数目极大,同时又寓以“难以实现”之意。实际上,天文数字不仅仅是“非常大”,还有各种量级,从极大到极小,其内容非常丰富有趣,值得我们深入了解。

    在日常生活和工作中,我们无时不与各种数字打交道,可谓须臾不可离之。然而,至少在公众心目中从未有物理数字、生物数字等之称谓,唯有“天文数字”不时见于各类媒体。电视中常有此类新闻:“一名农村孩子得重病,需手术费20万元,对贫困家庭这无疑是一个天文数字,望有爱心者给以帮助。” 那么,什么算是天文数字?显然,人们通常认为“天文数字”就意味着“非常大”。实际上这样理解既正确,又不完全正确,谨希望本文能帮助读者对天文数字有较为全面的认识。

天体的距离

    天文学上把宇宙中的一切实体,无论其大小都统称为天体,如月球、行星、小行星、卫星、彗星、流星体、太阳、恒星、星云、银河系、星系、星系团等等,包括地球也是一个天体。测定各类天体的距离对天文研究极为重要,而天体距离的共性特点可用一个字来概括,那就是“远”。要是用日常使用的长度单位,如厘米、米或者千米来表示的话,天体距离便是一些非常大、以至令人不可思议的数字。

    先来观察一下太阳系内的情况。地球是一个接近球形的旋转椭球体,赤道周长约4万千米。地球上目前最快的交通工具当推飞机,如喷气飞机的时速为 1,000千米,那么不间断地绕地球飞行一圈便需要40小时。地球到月球的平均距离为38.4万千米,以1,000千米时速飞越这段距离需要384小时,即16天整。假想飞船以11.2千米/秒的第二宇宙速度直接奔向月球,那么这段旅程仅需9.5小时。地球到太阳的平均距离为1.5亿千米,喷气飞机需飞上 5年又9个多月,即使乘上速度高达11.2千米/秒的宇宙飞船直奔太阳,也得化上155天,由此足见太阳距离之远。

    1.5亿千米对地球人来说已经很难想象它究竟有多远,但在天文学上却只是一个很小的数字。尽管很难认定太阳系的范围究竟有多大,但如以冥王星为界,则太阳系的直径至少有120亿千米,约为日地平均距离的80倍。

    越出太阳系又会怎么样呢?最近的恒星——半人马座比邻星的距离为40万亿千米,是日地距离的26.7万倍。太阳是银河系中一颗普通恒星,银河系的直径至少有100亿亿千米。银河系又是广袤宇宙中数以百亿计的星系中的一员,而目前所观测到的最远星系的距离约为1300万亿亿千米!从这一连串数字你能得到什么印象呢?也许除了感到数字都很大,而且一个比一个大外,什么概念也没有,主要原因在于这些典型的天文数字(用千米表示的天体距离)实在是太大了,以至使人对其内涵不得要领。

    为了能对天体距离有较为明晰的概念,天文学上引入了一些专用的长度单位,这就是天文单位AU、光年ly和秒差距pc。它们的具体含义是:(i) 日地平均距离(即地球公转轨道半长径)为1AU,即1.5亿千米;(ii)光线在真空中行进1年所经过的距离为1 ly,即63,271AU,也就是9.5万亿千米;(iii)如空间某一点对地球公转轨道半径的张角为1角秒,则定义这个地方到地球的距离为1 pc,即3.26 ly,也就是206,265AU,等于30.8万亿千米。

    天文单位主要用于太阳系内天体,如火星到太阳的平均距离为1.5AU,冥王星到太阳的平均距离约为40AU等,这显然要比用千米来表达清晰得多。然而,用天文单位表示恒星的距离又嫌不够了。例如,即使是最近的半人马座比邻星,它的距离已有267,000AU,而目前所能观测到的最远星系的距离可超过867万亿天文单位——又是一个很大的天文数字。这时可改用光年或秒差距来表述,半人马座比邻星的距离是4.22 ly,即1.29 pc,而最远星系的距离为137亿光年,或者说42.0亿秒差距——尽管这个数字仍然很大,但感觉上自然要比1300万亿亿千米或者867万亿天文单位舒服多了。比秒差距更大的长度单位是千秒差距kpc和兆(百万)秒差距Mpc,1kpc即1,000 pc,1Mpc即1,000,000 pc。因此,最远星系的距离约为4,250 Mpc,这个天文数字就不算太大了。

    各类天体的距离都是一些很大的数字,公众把天文数字理解为必然是大数字的主要原因之一即在于此。

天体的“身材”

    现在来考察一下有关天体自身性质的一些天文数字的概念,其中包括天体的大小、质量、密度、温度、光度(能量)和运动速度等。

    首先来认识天体“身材”的大小。千万别以为凡天体都很大,实际上不同天体的大小各异,而且差别极大。

    我们比较熟悉的一些天体确实是相当大的。例如,地球赤道半径为6.378千米,最大的太阳系行星——木星的赤道半径为71,492千米,是地球的11.2倍,体积超过地球的1,400倍;最小的是水星,赤道半径也有2,440千米。太阳系中已发现有140多颗卫星,其中最大的是木卫三,半径 2,634千米,比水星还大,而最小的直径只有几十千米、甚至几千米,它们大都是行星际探测器发现的,地面上很难观测到。月球是地球唯一的天然卫星,半径约为1,738千米,略大于地球半径的1/4。太阳系中还存在数以十万计的小行星,其中直径超过100千米只是少数,最大的1号谷神星的直径还不到 1,000千米,而绝大部分小行星的直径小于1千米。

    彗星是太阳系中形状最为奇特的一类天体,一颗充分发展的彗星由彗头(包括彗核和彗发)和彗尾两部分组成,彗发的体积和彗尾的长度随彗星的日心距而变化。彗发直径一般可达几万千米或更大,如1811年大彗星的彗发直径居然达到180万千米。大彗尾可长达上亿千米,宽度超过几千千米,甚至可达 2,000万千米,这时彗星赫然成为太阳系内体积最庞大的天体。根据彗星起源的“原云假说”,在距太阳100,000AU处有一个巨大的彗星云(奥尔特云),其中约有1000亿颗彗星——这可是一个很大的天文数字。

    恒星的大小差异极为悬殊。体积最大的是超巨星,这是恒星演化晚期的产物,半径可达太阳半径的1,000倍以上,有的甚至比木星的轨道半径还大。最小的如中子星,半径仅有10千米左右,而白矮星的半径也只同地球不相上下。在恒星世界中,太阳属于中等大小的恒星,但直径已达140万千米,为地球直径的109倍,体积是地球的130万倍。即使是太阳表面的大黑子,直径也可达20万千米之巨,足以放进几十个地球!

    在银河系内,除了恒星外,还存在体积庞大、密度极低、形状颇不规则的另一类天体,这就是星云。星云的尺度通常超过0.5pc,其中称为巨分子云的一类星云的尺度平均为4pc,它们是恒星的诞生之地。个别特别大的星云,如大麦哲伦云中的著名发射星云剑鱼30,其直径至少有300pc。

    恒星因其形成条件和万有引力的作用往往会集聚在一起,构成各类星团,如疏散星团、球状星团等。疏散星团的直径大多在2pc~6pc范围内,而球状星团的直径可达40pc~150pc或更大,即使是前者已相当于400,000AU~1,200,000AU,或者60万亿千米~180万亿千米。作为比较,冥王星公转轨道的半长径仅为40AU,可见星团的尺度要比太阳系大多了。

    比星团更大的恒星系统就是星系,目前可观测宇宙中的星系总数可达1,000亿个,其中包括我们的银河系。星系中大的椭圆星系的尺度可超过 60kpc甚至更大,而最小的则不到1kpc。旋涡星系的尺度大多在16pc~50kpc的范围内,银河系主体的直径约为30kpc,可算是一个比较大的旋涡星系。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>