這塊圖板就是測量本身,被拆成了各個部分。左下方是地球的深紅色軌道,一個藍色標記在上面移動:半年過去,半年回來。軌道中央的金色圓盤是太陽,下方的說明寫著這條軌道的半徑就是天文單位——也就是三角形的底邊。從標記到恆星有一條青綠色的視線,可以看到它隨地球一起轉動;另一條虛線留作對比——那是半年前的方向。右上方的恆星本身隨之有節奏地擺動,在天空中描出一個極小的橢圓,用深紅色虛線標出:這就是視差位移,兩條視線之間的夾角標註為一秒。周圍閃爍著視場中的恆星,正是在它們的背景上才能察覺位移。最下方是一把以光年為刻度的尺子,上面的金色標記指到三點二六——一秒差距中就有這麼多光年。中間的大字是符號,在所有語言中都相同,下方是以米為單位的數值。
距離 · 天文學與宇宙學
秒差距
非國際單位制單位 · 量:距離 · 由一秒的角度定義
不出家門測量恆星距離的唯一辦法,就是等上半年。在這段時間裡,地球移到軌道的另一側,一顆較近的恆星在遙遠恆星的背景上會稍稍移動:先向左,再向右。這一位移的一半用角秒錶示,稱為視差,距離就已經包含在其中。秒差距正是視差恰好等於一秒時的距離。
名字也由此而來:「視差」加「秒」,在1913年合併而成,那時天文學家已經厭倦了在星表裡寫冗長的描述。隨名字而來的還有最大的便利:以秒差距計的距離等於一除以以秒計的視差,觀測者什麼也不用換算——只需把測得的數字取倒數。一秒差距略多於三光年,並且恰好等於二十萬六千二百六十四點八個天文單位。
這裡的角度小得驚人:一秒相當於從四千米外看一枚兩釐米的硬幣,就連最近的恆星,視差也不到一秒。因此這個單位的全部歷史,就是能察覺越來越細微顫動的儀器的歷史:貝塞爾在1838年捕捉到三分之一秒,依巴谷衛星在九十年代達到千分之一秒,而蓋亞測量的是十萬分之一秒的零頭,把直接測量的邊界推到了銀河系的另一端。
符號用小寫拉丁字母書寫,不加句點:pc;帶詞頭時同樣如此——kpc、Mpc、Gpc,詞頭保持自身的大小寫。俄文寫作«пк»,不可與«пс»即皮秒混淆。中文數詞後直接接單位:「到銀河系中心八千秒差距」。
秒差距是距離,不是時間,也不是速度,儘管電影裡曾說過相反的話:漢·索羅誇口說他用不到十二秒差距跑完了凱塞爾航線,這句臺詞讓這個錯誤流傳不朽。秒差距也不能與光年混淆:一秒差距略多於三光年,天文學家偏愛前者,正是因為它直接來自測得的角度,而後者需要知道光速和一年的長度。
01 · 定義
一角秒 — 一秒差距秒差距是從該處看地球軌道半徑張角為一角秒的距離。定義是精確固定的:一秒差距等於六十四萬八千除以圓周率個天文單位;而由於天文單位本身自2012年起就是精確的米數,秒差距也是精確的。
這個係數看似神秘,其實來自簡單的三角學:一弧度中有二十萬六千二百六十四秒多一點,把六十四萬八千除以圓周率也得到同一個數。在如此小的角度下,正切就等於角度本身,於是繁瑣的關係式歸結為發明這個單位的初衷:以秒差距計的距離是以秒計的視差的倒數。
這個倒數關係用起來極其方便,也同樣極其殘酷。方便在於,觀測者得到以百分之一秒計的視差,立刻就能讀出以數百秒差距計的距離。殘酷在於,距離的相對誤差等於角度的相對誤差,而角度隨距離減小:遠一倍——顫動小一半,用同一臺儀器,精度就差一倍。
因此直接方法總有一條視界,決定它的不是物理,而是儀器的分辨本領。地面望遠鏡可靠地工作到幾十秒差距,依巴谷把邊界推到一百,蓋亞推到數萬,再往外接手的就不再是角度,而是標準燭光:造父變星、超新星以及整個宇宙距離階梯,而階梯的第一級仍然要用視差來定標。
半年過去,半年回來
左邊視窗顯示的是所選儀器眼中的天空:金色恆星緩緩繞著一個深紅色橢圓執行,因為地球在沿軌道運動,而暗淡的背景恆星保持不動。橢圓的大小就是視差,恆星越遠,橢圓越小;金色光點周圍的圓圈顯示儀器究竟能以多細的程度分辨位置——當橢圓沉入這個圓圈之內,就再沒有什麼可測的了。右邊是同一個量的圖表:青綠色曲線是視差隨距離的反比關係,水平線是儀器精度,豎直色帶標出距離誤差超過十分之一的邊界。按鈕可以在不同時代的儀器之間切換,能看到兩百年來直接測量的邊界如何從幾十秒差距移到了數萬秒差距。
02 · 換算
距離 · 角度 · 宇宙的尺度從角度到米,再換回來
第一個標籤頁中的所有換算都是精確的,因為天文單位、秒差距和光年都是透過固定的數值而不是測量來定義的。只有到天體本身的距離仍是近似的——它們才是測量的物件。
第二個標籤頁把距離換算成角度,反之亦然;第三個標籤頁展開從恆星鄰域到可觀測極限的尺度。
當誤差較大時,角度與距離之間的倒數關係會變得很有欺騙性:如果視差的測量精度差於百分之二十,簡單地取倒數會系統性地高估距離,天文學家就轉而採用統計估計。在宇宙學尺度上,「距離」一詞本身就分解成好幾個不同的量,因為在光傳播的途中宇宙在膨脹。
| 量 | 數值 | 說明 |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
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04 · 測量儀器
量日儀 · 依巴谷 · 蓋亞 · 電波干涉儀追逐一秒的兩百年
量日儀與耐心
貝塞爾的儀器是這樣構成的:物鏡被一分為二,兩半可以用螺旋移動,使所研究恆星的像與鄰近恆星的像重合。螺旋讀數之差給出兩者之間的角度,而正因為測量的是差值,空氣的抖動和裝調誤差都從結果中消去了。連續整整一年的觀測——才弄清天鵝座第六十一號星在天空中描出一個三分之一秒大小的橢圓。
依巴谷衛星
天體測量的頭號敵人是大氣,只有離開空氣才能戰勝它。依巴谷緩慢自轉,用兩個視場同時看向天空的不同方向,因而能測量彼此相距遙遠的恆星之間的大角度,再由這些角度縫合出統一的星表。成果是:十一萬八千顆恆星的視差精度約為千分之一秒,以及銀河系距離尺度的第一次可靠定標。
蓋亞與微角秒
如今直接測量的極限由蓋亞天文臺確立:對於亮星,它測定視差的精度達到約兩千萬分之一秒量級,比依巴谷好五十倍。這把直接方法從太陽鄰域帶到了整個銀河系的尺度:銀河系另一端的恆星,其視差仍可測量,只是誤差明顯。不過精度隨亮度下降,因此星表並不均勻:暗星的角度遠不如亮星測得準。
甚長基線電波干涉儀
在電波波段,角解析度不取決於反射面的大小,而取決於天線之間的距離,因此分佈在不同大陸上的望遠鏡網路能分辨幾十微角秒的細節。觀測的不是恆星本身,而是恆星形成區中的緻密邁射源——它們的位置可以測得格外精確。就這樣得到了銀河系遠側天體的視差,同時也用一種完全獨立的方法檢驗了光學天體測量。
05 · 書寫規則
小寫字母、詞頭、距離單位秒差距不能用來計時
符號由兩個小寫字母組成,詞頭按一般規則置於其前,而這個量始終是距離。如果文中給出視差,最好註明是以秒的哪一級分數給出的:千分之一,還是百萬分之一。
第一個錯誤舉世聞名,而且一直流傳,因為電影裡的那句臺詞後來被解釋為超空間航行的特殊之處。第二個錯誤把秒差距換成了皮秒,二者相隔的數字相差二十八個數量級。第三個錯誤違反了大小寫:大寫的「P」表示千兆,「Pc」則毫無意義。第四個錯誤讓角度沒有單位,而視差有時以秒發表,有時以千分之一秒發表。第五個錯誤把距離變成了時間:光走一秒差距確實需要三年零一個季度,但秒差距本身是用米來度量的,而不是用年。
06 · 相鄰單位
天文單位 · 光年 · 紅移秒差距有兩個相鄰的長度單位,還有一個在大尺度上取代它的量。前兩者來源不同:一個來自太陽系,另一個來自光速。第三個已經不是長度,而是到達之光的一種性質。
地球軌道的半徑,秒差距正是由它推導而來。自2012年起它等於一個精確的米數,秒差距也就繼承了這種精確性:所有不確定度都留在測得的角度裡,而不在定義裡。
光在一個儒略年中走過的距離。在科學論文中幾乎不出現,但在科普文字裡不可替代,因為它立刻說明我們看到的是多久以前的過去。
在宇宙學尺度上發表的是紅移,而不是秒差距:光在傳播途中,空間被拉伸了,一個距離變成了好幾個不同的距離。紅移是直接測量的,因此比其中任何一個都可靠。
07 · 歷史部分
檔案 · 1838 → 1913 → 1993 → 今天由角度和恆星拼成的詞
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青綠色曲線是視差,它與距離成反比地下降。深紅色水平線是儀器所能分辨的。兩者的交點給出金色虛線:在它右側,測得的角度已小於其自身誤差,距離只能估計而無法測量。兩個世紀以來的全部天體測量,都在忙於把深紅色的線壓低,把金色的線向右推。
以幾何為基準的單位
在 Simetrium 目錄中,這是一個少見的例子:一個沒有也不可能有實物基準的單位——而它並未因此失去什麼。秒差距是幾何地定義的:取一條已知基線,作一個一秒的角——距離便自然得出。需要儲存的不是基準器,而是兩個數:天文單位的長度和一弧度中的秒數,二者都被精確固定,因此這個單位本身以一切可以想象的嚴格程度為人所知。
不確定度不在單位裡,而在測量裡:百分之一秒量級的角度,必須從顫抖的空氣或衛星資料中打撈出來,天體測量學家的全部工作,就是為這個角度的最後幾位小數而戰。這種方法的美,在於它除了幾何之外不依賴任何東西:既不依賴恆星模型,也不依賴對其光度的假設,也不依賴宇宙學。因此視差構成了距離階梯的第一級,其餘一切——造父變星、超新星、紅移——都以它為定標依據。
這也決定了秒差距在科學中的地位:它既不是最大的單位,也不是最精確的,卻是最誠實的。它記錄的正是觀測者真正測到的東西——從遠方看自己行星軌道的那個角度。天文學不止一次嘗試用別的方式談論距離,不依附於任何可測的東西,但每一次都回到了這個頂角為一秒的三角形。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個 SI 基本單位,二十二個有专名的導出單位,以及若干制外量 — 少了它們,工程与曆法都轉不動。
天文學與距離
已開啟的資料頁被標出SI 基本單位
高亮的是用來表示秒差距的單位天體及其視差
角度、光年和儀器極限由表格計算| 天體 | 距離 | 視差 | 光年 | 依巴谷 | 蓋亞 | 測量手段 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {d} | {plx} | {ly} | {hip} | {gaia} | {how} |
最後兩列是兩個時代的儀器會給出的距離相對誤差:依巴谷為千分之一秒,蓋亞為百萬分之二十。由此可見每個時代直接方法的邊界落在哪裡:依巴谷已能可靠地夠到昴宿星團,銀河系中心只有蓋亞才夠得著,而到了仙女座,就連蓋亞的視差也不再起作用——在那裡接手的是造父變星。