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科学有道理:科学家如何测量日地距离?八大行星的距离又如何计算

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发表于 2021-10-21 22:54:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

各位朋友大家好,上一期咱们介绍了科学家计算地球直径的方法。今天,咱们把视野放远一点,看看科学家是如何计算太阳系各个天体的距离的。


1619年,德国天文学家开普勒提出了著名的行星三定律的最后一条。这一条定律非常重要,对后世人理解太阳系天文学有着重要的意义。开普勒第三定律指出:行星围绕太阳公转的周期的平方与它们轨道半长轴的立方成正比。由于行星的轨道是椭圆形,但是相对比较接近正圆,所以对于我们普通人来说,大概把这个半长轴看做是行星与太阳的距离即可。


这个定律的重要意义中包括一条:由于每颗行星的公转周期都是肉眼观测就可以得到的,所以不同行星与太阳距离的比例,也就确定了。所以,只要知道任何一颗行星和太阳的距离,就能够知道其他行星到太阳的距离。




看起来,最容易测的,就是日地距离了。关于这个距离的测量,科学家们提出了许多种方法,限于篇幅,我们只介绍当时最精确、最靠谱的方法,那就是著名天文学家哈雷(就是预言了哈雷彗星回归周期的那个)提出的金星凌日法。


如果大家还记得计算地球直径的方法的话,就会想到一个重要的工具——三角函数。在计算日地距离的时候,同样有效。


哈雷的想法是,我们可以利用太阳、地球和另一个天体,构成两个三角形,然后利用一个已知的边和一个角度,就可以计算出另外一个边的长度。而另一个天体,就是地球内侧的金星。当然了,地球内侧不止有金星,还有水星,但是金星距离我们更近,距离太阳更远,更容易观测,所以金星就成了“不二人选”。




由于金星在地球内侧,所以它有的时候会挡在地球和太阳之间,这叫做“金星凌日”。


哈雷认为:如果我们在地球上非常遥远的两个点观测金星凌日,就会发现它在太阳上投影的位置有所区别,所以观测者的视线会以金星为顶点,分别在朝向太阳和地球的一侧形成一个对顶角。这个角度,我们是可以测量出来的。


而同时,对于地球直径都已经测量得明明白白的科学家来说,测量两个观测点之间的距离不成问题。也就是说,知道了等腰三角形的顶角和底边,其他的信息就都知道了,这也是简单的高中数学知识。




不过,这里有一个问题:由于行星的轨道并不是都在黄道面上,而是有一些偏角(如下图所示)。所以,虽然一年之间金星会有1~2次在地球轨道内“超车”,但它可能是在太阳下方掠过,导致我们看不到凌日的现象。于是,就出现了金星凌日在一次八年间隔之后,再下一次要等到一百多年以后的情况。


因此,对于科学家们来说,观测的机会非常难得。




哈雷本人,就成为了两颗行星轨道夹角的被坑害者,虽然他提出了这个方法,但他倒霉地生活在那一百多年的“断档期”,含恨而终。


1761年,金星凌日如约上演,不过由于金星的位置并不很好,所以测量很不准确。8年后的1769年,在世界各个强国相互攻占的混乱年代,科学家们冒着生命危险出国去观测。当时正是“第二次英法百年战争”期间,为了能够知道日地距离,法国人明确下令,不许攻击携带重要观测数据的英国船长库克(就是发现澳洲大陆的库克船长)。


终于,当科学家们得到宝贵数据后,计算出了日地距离:1.52~1.54亿公里。尽管这个数据和现代的1.496亿公里有点差别,但是在当时也是相当精确,而且是有如拨云见日般的科学成果了。




当日地距离被算出来之后,其他行星和太阳的距离就都很容易计算出来了。


当然,对于现在的我们来说,测量日地距离就简单得多了。太阳、地球、金星三点一线的时候,金星可能在太阳和地球之间,也可能在太阳另一侧。所以,我们分别朝这两个时间的金星发射雷达信号,然后等信号反射回来时计算时间,乘以光速除以2(往返时间),就是两个时期的地球-金星距离,加在一起除以二,就是日地距离了。


当人类计算出行星的距离后,就把眼光放得更远,想要看看太阳系以外天体的距离了。那么,那些天体的距离该如何计算呢?我们留到下一期再介绍~



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