天文数字有多大

时间：2023-02-06

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

TIPS：本文共有 3038 个字，阅读大概需要 7 分钟。

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。