如果你視力極佳，在晴朗且無光污染的夜晚也許能在夜空中看到2500顆以上的恒星，而全天肉眼可見的恒星總數(shù)更是接近6000。古人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，與金木水火土五顆行星相比，絕大多數(shù)天體之間的相對(duì)位置似乎是永恒不變的，由此便有了“恒星”一詞。如今我們已經(jīng)知道，只是恒星距離遙遠(yuǎn)而使它們?cè)谔烨蛏系倪\(yùn)動(dòng)不易察覺罷了。本文將簡略介紹恒星相對(duì)天球背景運(yùn)動(dòng)的三種方式：視差、自行和光行差。

一、視差

? ? ? ?豎起一根手指放在眼前，分別閉上左眼或右眼，可以發(fā)現(xiàn)手指相對(duì)背景物體的位置有明顯不同，這便是視差的原理：在不同位置觀測(cè)同一物體產(chǎn)生的方向差異。這不同位置的兩點(diǎn)之間的連線是視差基線，兩點(diǎn)與目標(biāo)連線之間的夾角是視差角。顯然，測(cè)得視差角后對(duì)距離的計(jì)算只是簡單的三角形問題，視差因此也被稱作三角視差。

? ? ? 地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)的位置不停變化，這就滿足了產(chǎn)生恒星視差的條件。日地距離是已知的，以日地平均距離1 AU作為視差基線的恒星視差被稱為周年視差。如圖1所示，由于恒星的距離普遍過于遙遠(yuǎn)，視差π是極其微小的，此時(shí)的tan π?≈?π，然后只需在地球軌道平面（黃道面）中找到一條垂直于該恒星方向的視差基線，恒星的距離便很容易得到：d?= a?/ π。而我們又規(guī)定，周年視差為1角秒（″）的天體的距離為1秒差距（pc），約等于3.262光年。此定義的實(shí)用性使pc成為了天文學(xué)中最常用的一種距離單位，在這種單位制下，只需對(duì)以角秒為單位的周年視差取倒數(shù)，就能直接得到以秒差距為單位的恒星距離。因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，視差現(xiàn)象越不明顯，所以只有較近的目標(biāo)才能進(jìn)行準(zhǔn)確的視差測(cè)距，但2013年投入使用的蓋亞望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量精度達(dá)到10微角秒量級(jí)，能夠測(cè)出幾千秒差距內(nèi)的恒星視差。

? ? ? ?在實(shí)際的視差測(cè)量中，對(duì)于空間內(nèi)的任意一顆恒星，它與太陽的連線和黃道面之間應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)夾角，也就是日心黃道坐標(biāo)系中的黃緯β。可以想象，隨著地球沿圓形軌道的公轉(zhuǎn)，地球和該恒星的連線會(huì)在天球上畫出一個(gè)橢圓的軌跡（黃道上的恒星的周年視差軌跡是一條線，北黃極附近的恒星的視差軌跡是一個(gè)圓）。這個(gè)視差橢圓的半長軸就是周年視差的大小，它對(duì)應(yīng)了視差基線，而我們最多只需等待任意半年便可通過對(duì)稱性繪制出整個(gè)視差橢圓，繼而使用視差法計(jì)算恒星的距離。

? ? ? ? 除此之外，視差不僅僅可用于測(cè)量太陽系外恒星的距離，太陽系內(nèi)天體也同樣適用。譬如根據(jù)金星凌日時(shí)地球上兩地點(diǎn)所見金星在太陽盤面上的位置不同，從而推算出金星的距離和軌道半徑；而從地球各地看的太陽也有視差現(xiàn)象，以地球半徑為基線的太陽視差大約8.8″。

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二、自行

? ? ? ?與太陽一樣，銀河系的千億?？臻g中某顆恒星與太陽的相對(duì)速度是v，將它正交分解為視向速度vr和切向速度vt，其中的切向速度反映了我們眼中恒星的移動(dòng)方向，自行μ可以描述這一速度的大小，通常以角秒每年作單位。

? ? ? ? 觀測(cè)出自行的數(shù)值，再知道恒星的距離，切向速度就很容易計(jì)算了，如果進(jìn)一步測(cè)出視向速度的大小，便能得到恒星相對(duì)太陽的真實(shí)的空間速度。視向速度的測(cè)量依賴于多普勒效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)中的光源發(fā)出的電磁波的波長會(huì)改變，遠(yuǎn)離則變長（紅移），靠近則變短（藍(lán)移）。我們只需將恒星光譜中的各譜線與靜止譜線的波長作對(duì)照，即可計(jì)算出視向速度的大小和方向。

? ? ? ? 巴納德星是目前已知自行最大的恒星，這是一顆相距我們約6光年的紅矮星，正以每年10.3″的速度相對(duì)天球背景移動(dòng)。圖3展示了從1985年到2005年間巴納德星的位置變動(dòng)情況。

三、光行差

? ? ? ?光是有速度的，這就導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者觀察到光的方向與靜止的觀測(cè)者觀察到的方向有偏差，即光行差。借用一個(gè)常見的比喻，人在雨中行走，盡管雨滴是垂直下落的，但跑動(dòng)的人卻感覺雨是從前方傾斜而下的。光行差的原理與此類似，只是此時(shí)需考慮的不是經(jīng)典力學(xué)的速度疊加原理，而是洛倫茲變換。

地球處于不斷的運(yùn)動(dòng)之中，自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，甚至還包括跟隨太陽在銀河系中的運(yùn)動(dòng)，這些都讓我們?cè)谟^察遙遠(yuǎn)光源時(shí)出現(xiàn)光行差現(xiàn)象，其中對(duì)實(shí)際觀測(cè)影響最大的是地球公轉(zhuǎn)造成的周年光行差。如圖3所示，θ是運(yùn)動(dòng)方向與光源方向的夾角，地球的運(yùn)動(dòng)使我們觀測(cè)到這一角度變成φ，光行差也就是θ?-?φ。

? ? ? ?地球繞太陽的公轉(zhuǎn)速度約29.8 km / s，而當(dāng)速度v遠(yuǎn)小于光速c時(shí)，光行差的大小可以簡單地用v?sin θ?/ c計(jì)算，當(dāng)速度與光速垂直時(shí)，周年光行差有最大值20.5″。自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周日光行差比周年光行差小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而繞銀河系運(yùn)動(dòng)的光行差雖然較大但周期極長（2億年），短期內(nèi)可不考慮。

? ? ? ?與視差類似，恒星的周年光行差軌跡也是個(gè)以一年為周期的橢圓，這是地球速度方向的周期性變動(dòng)引起的，不同黃道坐標(biāo)的恒星，周年光行差的軌跡也會(huì)從圓形過渡到一條線段。而且最大20.5角秒的位置擺動(dòng)比恒星的視差大得多。視差、自行、光行差三者疊加，使恒星在天球上的軌跡顯得復(fù)雜不規(guī)則，好在它們具有周期性和規(guī)律性，讓我們?nèi)菀滋蕹头治鏊鼈儗?duì)恒星軌跡的影響。

END

作者：叢雨

審核：白煙

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