科学家是怎么知道银河系的大小的（银河系的直径20万光年）

科学家是怎么知道银河系的大小的（银河系的直径20万光年）学过数学的朋友们对三角函数并不陌生，对sin、cos和tan之间的“爱恨情仇”如数家珍。但是你知道吗，三角函数在宇宙测量中依然具有强大的效果！银河系结构示意图可是出了太阳系，这个时间就开始变长了，如果要等光反射回来，那可真是白了少年头。如果不小心碰上一个距离地球几十万光年的天体，我们可没有时间等待几十万年。那么人类是如何测量出它们与太阳系之间的距离呢？这就不得不感叹天文学家们的智慧了！月球激光反射镜三角函数在天文上发挥出怎样的效果？如何利用宇宙中的“色差”？造父变星如何帮助天文学家测量？宇宙的膨胀会影响最后的结果吗？银河系直径20万光年，如果使用光反射法，光要走20万年，人类可等不起这个时间，那么是如何测出的呢？

宇宙中的距离，十万百万不算数，光年才起步，可见其宽广。为了测量天体与天体之间的距离，人类以光为尺，丈量未知的领域。

浩瀚宇宙中的天体概念图

在月球上放着一面反射镜，在地球上对其发射激光，通过激光来回的时间，计算出地球到月球的距离。

人类就是用这种办法计算出了太阳系各大天体之间的距离。

可是出了太阳系，这个时间就开始变长了，如果要等光反射回来，那可真是白了少年头。如果不小心碰上一个距离地球几十万光年的天体，我们可没有时间等待几十万年。那么人类是如何测量出它们与太阳系之间的距离呢？这就不得不感叹天文学家们的智慧了！

月球激光反射镜

三角函数在天文上发挥出怎样的效果？如何利用宇宙中的“色差”？造父变星如何帮助天文学家测量？宇宙的膨胀会影响最后的结果吗？银河系直径20万光年，如果使用光反射法，光要走20万年，人类可等不起这个时间，那么是如何测出的呢？

银河系结构示意图

三角函数会在天文上发挥出怎样的效果？

学过数学的朋友们对三角函数并不陌生，对sin、cos和tan之间的“爱恨情仇”如数家珍。但是你知道吗，三角函数在宇宙测量中依然具有强大的效果！

常见的三角函数包括正弦函数、余弦函数和正切函数

我们已知地球到太阳的距离，可以将这段距离作为任何一个宇宙三角形的一边。天文学家在宇宙中发现了一个天体，可并不知道它所在的位置，于是我们把它到地球的距离和它到太阳的距离作为三角形的另外两条边。在已知一个三角形一条边的情况下，我们还需要知道这条边对应的内角。

虽然地球和太阳的距离放在宇宙中不值得一提，但是这样的距离还是会让天体发射出来的电磁波在地球和太阳之间形成一个夹角，我们将其称之为视差角。因此这个依靠视差角计算距离的方法叫做三角视差法。天文学家只需要测量出这个视差角，就能通过三角函数计算出该天体与地球和太阳的距离。

三角视差法的测距方法演示图

其实这个方法源于古希腊的数学家阿里斯塔克，他在2000多年前利用三角函数计算出了太阳与地球的距离。虽然有一定的误差，但是在那个年代能得到如此接近的数值，不得不说他的伟大。三角视差法也是目前天文上运用得最广泛的方法之一。

一张10世纪阿里斯塔克的图的复制品

如果仅仅以为天文学家只有一种测量方法，那就太小看他们的大脑了，这可是人类的最强大脑们，怎么可能就止步于一种呢？还有利用“色差”的分光视差法。

人类聪明的小脑瓜里藏着太多奇思妙想~

如何利用宇宙中的“色差”？

宇宙中有数之不尽的恒星，我们的太阳只不过是里面的一颗。这些恒星的亮度各不相同，因此天文学家可以得到一张恒星的光谱图。

恒星光谱分类

人类的眼睛和摄像头之间是有区别的，因此可以利用这个视差来计算天体与地球的距离。人眼看到的亮度在天文学上被称为视星等，用m来表示，数值越小亮度越高，反之越暗。然后再将该恒星放到距地球10秒差距的距离，约为32.6光年，这个时候假定的一个亮度叫做绝对星等，用M来表示，区别视星等。

最后再得到视差，用π来表示，这三者之间有一个关系式，M=m 5-5lgπ，这个l就是距离，只要知道这三个数值，就能计算出恒星与太阳系的距离。有很多人担心，这个“色差”会不会因人而异，从而出现误差。其实，在得到恒星的光谱的时候，就已经能够测量出视星等和绝对星等，这是通过光谱得到的，不是根据人来得到的。至于视差，这个是需要测量的。

主序星光谱案例

不管是三角视差法，还是分光视差法，都是测量恒星与太阳系的距离，那我们应该如何测量银河系呢？这就得提到另一个方法——造父周光关系测距法。

造父变星如何帮助天文学家测量？

宇宙中存在一种天体叫做造父变星，它是变星的一种，会周期性发射出脉冲，其光亮也会周期性变化。天文学家根据其光亮的周期，能够得到绝对星等，再计算出它和我们的距离。变星也是恒星的一种，至此，人类基本上已经可以计算出我们可以观测到的恒星与太阳的距离。

仙女座星系中的V1造父变星的光变曲线

根据估算，银河系一共有1000亿至4000亿颗恒星，根据人类这些年计算出来的距离，得出恒星与恒星之间的平均距离为4光年。而我们所在的银河系是一个旋星系，太阳系在其的一根旋臂上。由此可以得到银河系的直径大约为20万光年，并以此类推，得到宇宙的直径，为大约920亿光年。

但值得注意的是，银河系的直径20万光年和宇宙的920亿光年，都只是一个范围值，不是人类确切计算出的距离。

地球到其他天体的距离示意图

因为宇宙中还有很多人类未知的物质，天文学上称其为暗物质，它占据宇宙的80%到90%，这些物质会对我们的测量有什么影响，人类是不知道的。有天文学家猜测，因为暗物质对人类的干扰，我们很有可能对银河系的估算值小于其真正的直径，它的直径可能在30万光年以上，宇宙的直径可能更加巨大。

并且随着测量技术的革新，我们以前的测量数据，是会变化的，很多天体与太阳的距离，已经与最初的数据有了差别。

暗物质在宇宙中的分布图

可是说了这么多，我们却忽视了一个条件，那就是宇宙在膨胀，膨胀的速度还是变化的，并不是一个定值。我们测量的距离很有可能下一秒就不是这个数值了。我们应该如何排除宇宙膨胀带来的影响呢？天文学家们再次发挥了最强大脑的作用，利用红移来测量。

宇宙的膨胀会影响最后的结果吗？

红移是一种天文现象，因为宇宙的空间膨胀，将电磁波的波长也拉长了，导致电磁波的频率也变低了，但是，电磁波在宇宙中的传播速度是不变的。

红移指物体的电磁辐射由于某种原因频率降低的现象

产生红移的原因就是因为宇宙在膨胀，现在比较认同的一种假说，就是宇宙大爆炸论，我们的宇宙起源自一次大爆炸。由于爆炸产生了巨大的能量，它至今都在让我们的宇宙不停地膨胀。

如果把宇宙比喻成一个气球，我们的太阳和其它恒星就像气球上的蚂蚁，因为气球膨胀，蚂蚁之间的距离会越来越远。关于宇宙膨胀的速度，至今还没有一个合理的数值，有人认为它超过了光速，有的人认为膨胀已经冷却，现在的速度肯定是很慢的。由于无法统一膨胀速度，我们应该如何减少膨胀对计算距离的影响？

空间的膨胀势必会让物质之间的距离越来越远

根据天文学家哈勃的公式：Z = H*d /c，我们可以计算天体与天体之间的距离。Z是红移量，H是哈勃常数，d是天体之间的距离，c是光速，我们只需要知道红移量，就可以计算天体之间的距离。由于红移量本身就是膨胀体系下的数值，因此得到的距离是在宇宙膨胀的情况下的距离。

这种方法叫做谱线红移测距法，有了它，天文学家就可以计算上百亿光年的距离，并且得到的数值是在造成此红移的膨胀体系中，算是比较实时的数据了。

没有人知道宇宙有多大，一切都只能在研究中寻找答案

三角视差法、分光视差法、造父周光关系测距法以及谱线红移测距法，是天文学家们智慧的结晶，正是有了他们的付出，我们才能知道光年之外的天体，才知道人类在宇宙中有多渺小。