導(dǎo)語：一般認(rèn)為，天文學(xué)研究處理的數(shù)字都很大，所以人們用“天文數(shù)字”表示數(shù)目極大，同時又寓以“難以實(shí)現(xiàn)”之意。實(shí)際上，天文數(shù)字不僅僅是“非常大”，還有各種量級，從極大到極小，其內(nèi)容非常豐富有趣，值得我們深入了解。
在日常生活和工作中，我們無時不與各種數(shù)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(shù)字、生物數(shù)字等之稱謂，唯有“天文數(shù)字”不時見于各類媒體。電視中常有此類新聞：“一名農(nóng)村孩子得重病，需手術(shù)費(fèi)20萬元，對貧困家庭這無疑是一個天文數(shù)字，望有愛心者給以幫助?！?那么，什么算是天文數(shù)字？顯然，人們通常認(rèn)為“天文數(shù)字”就意味著“非常大”。實(shí)際上這樣理解既正確，又不完全正確，謹(jǐn)希望本文能幫助讀者對天文數(shù)字有較為全面的認(rèn)識。 天體的距離 天文學(xué)上把宇宙中的一切實(shí)體，無論其大小都統(tǒng)稱為天體，如月球、行星、小行星、衛(wèi)星、彗星、流星體、太陽、恒星、星云、銀河系、星系、星系團(tuán)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(diǎn)可用一個字來概括，那就是“遠(yuǎn)”。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(shù)字。 先來觀察一下太陽系內(nèi)的情況。地球是一個接近球形的旋轉(zhuǎn)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(dāng)推飛機(jī)，如噴氣飛機(jī)的時速為 1,000千米，那么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，那么這段旅程僅需9.5小時。地球到太陽的平均距離為1.5億千米，噴氣飛機(jī)需飛上 5年又9個多月，即使乘上速度高達(dá)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(yuǎn)。 1.5億千米對地球人來說已經(jīng)很難想象它究竟有多遠(yuǎn)，但在天文學(xué)上卻只是一個很小的數(shù)字。盡管很難認(rèn)定太陽系的范圍究竟有多大，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。 越出太陽系又會怎么樣呢？最近的恒星——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恒星，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(shù)以百億計的星系中的一員，而目前所觀測到的最遠(yuǎn)星系的距離約為1300萬億億千米！從這一連串?dāng)?shù)字你能得到什么印象呢？也許除了感到數(shù)字都很大，而且一個比一個大外，什么概念也沒有，主要原因在于這些典型的天文數(shù)字(用千米表示的天體距離)實(shí)在是太大了，以至使人對其內(nèi)涵不得要領(lǐng)。 為了能對天體距離有較為明晰的概念，天文學(xué)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(zhuǎn)軌道半長徑)為1AU，即1.5億千米；(ii)光線在真空中行進(jìn)1年所經(jīng)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(diǎn)對地球公轉(zhuǎn)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(nèi)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(dá)清晰得多。然而，用天文單位表示恒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(yuǎn)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(shù)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(yuǎn)星系的距離為137億光年，或者說42.0億秒差距——盡管這個數(shù)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(yuǎn)星系的距離約為4,250 Mpc，這個天文數(shù)字就不算太大了。 各類天體的距離都是一些很大的數(shù)字，公眾把天文數(shù)字理解為必然是大數(shù)字的主要原因之一即在于此。 天體的“身材” 現(xiàn)在來考察一下有關(guān)天體自身性質(zhì)的一些天文數(shù)字的概念，其中包括天體的大小、質(zhì)量、密度、溫度、光度(能量)和運(yùn)動速度等。 首先來認(rèn)識天體“身材”的大小。千萬別以為凡天體都很大，實(shí)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(shí)是相當(dāng)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(fā)現(xiàn)有140多顆衛(wèi)星，其中最大的是木衛(wèi)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(fā)現(xiàn)的，地面上很難觀測到。月球是地球唯一的天然衛(wèi)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(shù)以十萬計的小行星，其中直徑超過100千米只是少數(shù)，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(fā)展的彗星由彗頭(包括彗核和彗發(fā))和彗尾兩部分組成，彗發(fā)的體積和彗尾的長度隨彗星的日心距而變化。彗發(fā)直徑一般可達(dá)幾萬千米或更大，如1811年大彗星的彗發(fā)直徑居然達(dá)到180萬千米。大彗尾可長達(dá)上億千米，寬度超過幾千千米，甚至可達(dá) 2,000萬千米，這時彗星赫然成為太陽系內(nèi)體積最龐大的天體。根據(jù)彗星起源的“原云假說”，在距太陽100,000AU處有一個巨大的彗星云(奧爾特云)，其中約有1000億顆彗星——這可是一個很大的天文數(shù)字。 恒星的大小差異極為懸殊。體積最大的是超巨星，這是恒星演化晚期的產(chǎn)物，半徑可達(dá)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。在恒星世界中，太陽屬于中等大小的恒星，但直徑已達(dá)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(dá)20萬千米之巨，足以放進(jìn)幾十個地球！ 在銀河系內(nèi)，除了恒星外，還存在體積龐大、密度極低、形狀頗不規(guī)則的另一類天體，這就是星云。星云的尺度通常超過0.5pc，其中稱為巨分子云的一類星云的尺度平均為4pc，它們是恒星的誕生之地。個別特別大的星云，如大麥哲倫云中的著名發(fā)射星云劍魚30，其直徑至少有300pc。 恒星因其形成條件和萬有引力的作用往往會集聚在一起，構(gòu)成各類星團(tuán)，如疏散星團(tuán)、球狀星團(tuán)等。疏散星團(tuán)的直徑大多在2pc～6pc范圍內(nèi)，而球狀星團(tuán)的直徑可達(dá)40pc～150pc或更大，即使是前者已相當(dāng)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(zhuǎn)軌道的半長徑僅為40AU，可見星團(tuán)的尺度要比太陽系大多了。 比星團(tuán)更大的恒星系統(tǒng)就是星系，目前可觀測宇宙中的星系總數(shù)可達(dá)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的范圍內(nèi)，銀河系主體的直徑約為30kpc，可算是一個比較大的旋渦星系。 星系在宇宙空間中的分布并不是均勻的，它們往往表現(xiàn)出有集聚成團(tuán)的趨向，并構(gòu)成更大的天體集團(tuán)，即星系團(tuán)和超星系團(tuán)。就空間尺度而言，不同星系團(tuán)的直徑一般相差不超過一個量級，平均約為5Mpc，或者說1,600萬光年。銀河系和附近幾十個大小不等的星系構(gòu)成一個范圍相對比較小的星系集團(tuán)——本星系群，尺度約為650萬光年，其中最大的兩個旋渦星系便是銀河系和著名的仙女星系M31。星系團(tuán)可以進(jìn)一步集聚成超星系團(tuán)，簡稱超團(tuán)。超團(tuán)往往具有扁長的外形，長徑的尺度為2億光年～3億光年，長、短徑之比平均可達(dá)4:1，這種外形說明超團(tuán)可能有緩慢的自轉(zhuǎn)。包括本星系群在內(nèi)的約50個較小的群和團(tuán)構(gòu)成了一個龐大的天體系統(tǒng)——本超星系團(tuán)，空間尺度約為1億光年～2.5億光年。超團(tuán)的存在已是不爭的事實(shí)，但是否還有尺度更大的星系集團(tuán)則尚未有定論。 現(xiàn)在回過頭來看一下小天體的情況。 流星是大家都熟悉的一種天象，它們是由游弋在太陽系空間中的微?！餍求w——與地球大氣分子劇烈摩擦、燃燒、發(fā)光而生成的。流星體大多很小，比如肉眼可見的流星體直徑在0.1厘米～1厘米之間，可歸屬太陽系最小天體之列。比較大的流星體，比如直徑幾十米的流星體，或可稱為小行星，兩者之間并沒有明確的分界線。 恒星際空間并非空無一物，而是存在大量的星際介質(zhì)，包括星際氣體和星際塵埃。星際塵埃會使遠(yuǎn)方的星光減弱，這一效應(yīng)稱為星際消光。星際消光主要是由直徑10-5～10-4厘米的微粒造成的，不到人頭發(fā)絲直徑的百分之一，也許這已不配稱為“天體”了。 天體的質(zhì)量和密度 質(zhì)量是表征天體的物理性質(zhì)的另一個重要參數(shù)，一些主要天體的質(zhì)量都是很大的。地球是太陽系內(nèi)的一個普通行星，它的質(zhì)量為6x1027克，或者說 60萬億億噸。木星質(zhì)量約為1.9x1030克，是地球質(zhì)量的318倍。衛(wèi)星中質(zhì)量最大的是木衛(wèi)三，為1.5x1026克；月球質(zhì)量7.4x1025克，是地球質(zhì)量的1/81.3。在眾多小行星中，以谷神星的質(zhì)量1.2x1024克為最大。除了最大的少數(shù)幾顆外，其他小行星的質(zhì)量大多是根據(jù)它們的直徑和假定的物質(zhì)密度推算出來的，因而并不太精確。據(jù)估計，所有小行星的總質(zhì)量尚不及地球質(zhì)量的1/800，它們確實(shí)是名副其實(shí)的小的行星。彗星的絕大部分質(zhì)量集中在彗核內(nèi)，大彗星的質(zhì)量范圍為103億噸～108億噸，而小的只有幾十億噸，大致相當(dāng)于地球上一座大冰山的質(zhì)量。 太陽是一顆中等質(zhì)量的恒星，它的質(zhì)量為2x1033克，通常記為Msun，是地球質(zhì)量的33萬倍，占太陽系總質(zhì)量的99.8%。太陽以其龐大的質(zhì)量控制著整個太陽系，是太陽系的當(dāng)然主宰。 鑒于恒星的質(zhì)量很大，以常用公制質(zhì)量單位，如克、公斤、噸來表示便顯得很不方便，數(shù)字之大使人摸不著頭腦。因此，在天文學(xué)中恒星和恒星系統(tǒng)的質(zhì)量通常以太陽質(zhì)量Msun為單位來度量。不同恒星的質(zhì)量大小各異，其范圍大約在百分之幾Msun到120Msun之間，有的甚至更大，但大多數(shù)恒星的質(zhì)量在0.1Msun～10Msun范圍內(nèi)。對星團(tuán)來說，疏散星團(tuán)的質(zhì)量較小，通常不超過5x103Msun，而球狀星團(tuán)的質(zhì)量范圍為3x104 Msun ～3x106Msun。 在星系世界中，以橢圓星系的質(zhì)量差異最大，最大的超巨橢圓星系的質(zhì)量可達(dá)1013Msun，而最小的矮橢圓星系的質(zhì)量僅為106Msun，只相當(dāng)于銀河系中一個球狀星團(tuán)的質(zhì)量。在其他類別的星系中，旋渦星系的質(zhì)量范圍為109 Msun～1011Msun，不規(guī)則星系的質(zhì)量范圍為108 Msun～1010Msun。不計暗暈部分，銀河系的總質(zhì)量約為1.4x1011Msun，其中以恒星形式出現(xiàn)的約占90%，彌漫星際物質(zhì)占10%左右。 星系團(tuán)的質(zhì)量當(dāng)然就比星系更大了，最大的可達(dá)1014Msun。本星系群是一個比較小的星系團(tuán)，大部分成員是質(zhì)量較小的所謂“矮星系”，總質(zhì)量約為6.5x1011Msun，銀河系和仙女星系的質(zhì)量之和占了其中的2/3以上。更高一級的星系集團(tuán)——超團(tuán)的質(zhì)量范圍為1015 Msun～1017Msun。如果折算成常用單位，超團(tuán)的質(zhì)量可達(dá)2x1050克，即太陽質(zhì)量的10億億倍，或者說2萬億億億億億噸——一個真正巨大的天文數(shù)字！ 天體不僅大小和質(zhì)量各不相同，而且物質(zhì)密度也相差很大。 在太陽系內(nèi)，地球的密度是5.52克/厘米3，其他類地行星(水星、金星、火星)的密度與之相差不大。另一方面，類木行星(包括木星、土星、天王星和海王星)的密度就小多了，其范圍在0.7克/厘米3(土星)～1.7克/厘米3(海王星)之間。這些行星的密度數(shù)值顯然不足為奇，在地球上不難找到有類似密度的物質(zhì)。在太陽系天體中，密度最為奇特的是彗星。不同彗星彗核的密度可相差100倍，平均密度約為1克/厘米3，與水差不多。然而，彗尾物質(zhì)卻極為稀薄，密度只及地面大氣密度的十億億分之一，或者說6x10-21克/厘米3——這顯然是一個很小的天文數(shù)字。正因?yàn)槿绱耍?910年5月哈雷彗星回歸時盡管彗尾曾掃過地球，但人們卻毫無感覺，可見彗尾確實(shí)是一把空空如也的“大掃帚”，有人稱之為“看得見的烏有”。 在恒星世界中，最大的超巨星半徑可超過中子星半徑的1億倍，而不同恒星的質(zhì)量最大僅相差104量級，因此恒星的密度差異極為懸殊：超巨星的密度只有10-11克/厘米3，中子星的密度則高達(dá)1016克/厘米3——1立方厘米中子星物質(zhì)需要用10萬艘10萬噸超級巨輪才能拖走！太陽的平均密度只及地球的1/4，約為1.4克/厘米3，但中心的物質(zhì)密度高達(dá)160克/厘米3。 星際介質(zhì)的密度非常低，平均密度僅約為10-24克/厘米3，或者說1個氫原子/厘米3；其中星云的密度為每立方厘米幾十個到幾千個原子或離子，而云際連續(xù)介質(zhì)的物質(zhì)密度只有0.1個粒子/厘米3。作為比較，地球表面的大氣密度為5.8x10-4克/厘米3，由此足見星際介質(zhì)的密度之低。然而，由于星際介質(zhì)在銀河系內(nèi)綿延分布的范圍需以萬光年計，其總質(zhì)量仍可達(dá)1010Msun，即高達(dá)20萬億億億億噸之巨，這又是一個驚人的天文數(shù)字！ |
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