日地距离精确距离测定:149597870700米

2018-02-21

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文章简介：在不久前于北京召开的国际天文学联合会第28届大会上,全票通过决议更改天文单位的定义,规定将天文单位的长度确定为149597870700米.正如我们所知,所谓天文单位的原始含义就是太阳到地球之间的距离.国际天文学联合会第28届大会的每日通讯名为<天问>,取自屈原<楚辞>中同名的著名篇章.屈原的<天问>中有这样几句:日月安属?列星安陈?出自汤谷,次于蒙氾.自明及晦,所行几里?自古以来,人类就对太阳--这颗主宰着地球光与热的明亮天体充满了好奇,他们都想知道这个问题的答案:太阳

在不久前于北京召开的国际天文学联合会第28届大会上,全票通过决议更改天文单位的定义,规定将天文单位的长度确定为149597870700米。

正如我们所知,所谓天文单位的原始含义就是太阳到地球之间的距离。

国际天文学联合会第28届大会的每日通讯名为《天问》,取自屈原《楚辞》中同名的著名篇章。屈原的《天问》中有这样几句:日月安属?列星安陈?出自汤谷,次于蒙氾。自明及晦,所行几里?

自古以来,人类就对太阳——这颗主宰着地球光与热的明亮天体充满了好奇,他们都想知道这个问题的答案:太阳到底离我们有多远?

即使我们处在21世纪第二个十年的开端,这个看起来简单的问题也无法用一句话来回答,这也就是为什么在国际天文学联合会第28届大会上,要通过不记名投票来表决是否改变日地距离的定义。

1976年,国际天文学联合会颁布了一系列天文研究采用的最重要单位,其中之一就是被称为“天文单位”(简写为AU)的日地距离。按照国际天文学联合会的原始定义,日地距离是“在太阳引力作用下沿以太阳中心为圆心的圆轨道,以每天0.01720209895弧度的角速度运动的无质量粒子的轨道半径”。当时公布的数据为1天文单位等于149597870.691千米。

这样定义的日地距离除了定义本身晦涩难懂外,还有个让人很难接受的问题:既然是“基本单位”,似乎应该是个定数,但按照1976年国际天文学联合会的定义,天文单位是个不断变化的数值。首先,太阳的质量是在不断减小的。

按照开普勒第三定律,太阳的质量变化会导致天文单位的数值发生缓慢的改变。其次,根据爱因斯坦的广义相对论,时空的定义是相对的,与观测者所处的时空有关。按照上述定义,在太阳系内不同地方测量到的天文单位数值就会不同,比方说在木星(太阳系内质量最大的行星)上测得的天文单位与在地球上测得的要相差1000多千米。

正是为了解决这样的问题,2012年8月30日第28届国际天文学联合会大会发表了B2决议,全票通过更改天文单位的定义。规定将天文单位的长度确定为149597870700米,不再是一个不断变化的数值。同时米被定义为光在真空中行进1/299792458秒的长度。

对于百姓的日常生活而言,日地距离究竟是149597870700米,还是一个随时会改变的数值都无关紧要。但对于专业的天文学家来说,要接受一项沿袭已久的改变并非易事。

回顾人类确定天文单位(也就是日地距离)的历史,几乎等于回溯整个天文学的历史。在对这个基本单位的数值探求之路上,耳熟能详的若干位天文学家一一登场。

公元前3世纪,希腊的阿里斯塔克斯最早给出了对日地距离的估计,大约为地球半径的380倍至1520倍(现在的测量值大约为23000倍)。

公元前2世纪,著名天文学家依巴谷曾根据太阳的“最小可接受视差”为7角分,推算日地距离大约为地球半径的490倍。视差是天文学家经常采用的概念。如果你闭上左眼只用右眼看挂在房间另一端的图钉,然后反过来,闭上右眼只用左眼看,你会发现图钉的位置发生了变化。

这就是视差:相距足够远的两个观测者观测同一个目标所产生的方向差异。从目标看两个观测者之间的夹角,称为两点的视差,两点之间的连线称作基线。只要知道视差角度和基线长度,就可以计算出目标和观测者之间的距离。天文学家一直以来就是用这个办法直接测量较近天体的距离的。

到了公元2世纪天文学家托勒密登场,日地距离也扩大至1210倍的地球半径,这个数值一直保持到16世纪。直到1627年,科学家开普勒才发现托勒密给出的日地距离太小。1609年,另一个科学巨匠伽利略将望远镜指向天空,人类终于可以开始借助肉眼之外的仪器测量天体。1635年,天文学家文德林重复了阿里斯塔克斯的实验,将日地距离扩大至托勒密数值的11倍。

更加精确的测量是通过我们刚刚经历的一种罕见天象完成的——金星凌日(即从地球上看,金星刚好从太阳表面经过,2012年6月6日是本世纪最后一次金星凌日)。1662年霍洛克通过对1639年金星凌日的测量得到太阳视差为15角秒的结论。

太阳视差越小表明太阳的距离越远,15个角秒的视差对应着日地距离大约为13750个地球半径。17世纪科学家惠更斯最先得到与今天的测量值最接近的数值——日地距离大约为24000个地球半径,虽然他的结论因为采用了很多不明所以的假设而大***扣。

1672年适逢火星大冲(太阳、地球和火星刚好位于一条直线上,而且火星与地球位于太阳同侧,二者之间的距离最近),天文学家卡西尼(土星美丽光环的缝隙即以他的名字命名)和瑞奇分别在巴黎和法属圭亚那(南美洲)两地观测火星,得到的太阳视差为9.

5角秒。与此同时,皮卡德于1669年精确测得了地球半径,而罗默也于1676年测到了光速值,这一切都为日地距离的精确值做好了准备。1663年,格里高利(著名的格里高利历就是他的杰作)发表了误差更小的金星凌日观测方法,被著名的天文学家哈雷(就是“哈雷彗星”的哈雷)广为宣传。

1761年和1769年,以及1874年和1882年的两组四次金星凌日都采用了格里高利的观测办法。尽管期间战火弥漫硝烟滚滚,好几位天文学家甚至为此付出了生命的代价,但1895年拉朗德给出的149250000000米的数值,可以告慰这些天文学家的在天之灵。它与现代数值已经非常相近。

日地距离数值的精度随着科技的日新月异而不断得到提高,纽康在测量光行差的过程中给出了8.80角秒的太阳视差值,与今天的8.794143角秒已经相差无几,是1896年确定的第一批国际天文学常数之一。而“天文单位”一词于1903年开始使用。到了20世纪60年代,人类开始采用雷达直接测定金星和火星的距离。如今天文单位已经被固定为149597870700米。

新的天文单位定义是在2012年中国北京通过的。事实上,天文单位与中国的关系更久远。