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天文学家重新定义“天文单位”

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:12

    天文学家重新定义“天文单位”

    上图为2007年12月24日发生的火星冲日艺术概念图。太阳与地球和火星之间的距离,还有太阳与遥远星云的距离并没有按比例绘制。图片来源:美国国家航天局(NASA)火星探索计划

    天文单位(AU)是地球到太阳的大致距离,也是太阳系中最重要的距离之一。最近,天文学家们相当低调地重新定义了这个概念,将它从一个令人困惑的计算公式简化为一个单纯的数字。8月份在中国北京举行的国际天文学联合会大会上,天文学家们对这个议题进行了投票。他们一致认为这个新的标准应当是149,597,870,700米。一米不多,一米不少。

    在我们这些地球上的居住者看来,这个结果无关重要。地球继续围绕太阳旋转,而北半球将很快将跨入秋季。但对天文学家们而言,这个改变却意味着更加准确的测量方法,并且也可以更容易向他们的学生解释AU的概念。

    在天文学中,地日距离是历史悠久的数值之一。著名的天文学家乔凡尼·卡西尼于1672年对它进行了第一次精确测量。卡西尼在法国巴黎观测到了火星的同时,他的同事吉恩·里奇在南美法属圭亚那也探测到了这颗星球。将这两次测量的视差或角差代入,天文学家们便可以计算出地球到火星的距离,并且用这个数值得到了地球到太阳的距离。他们的最终结果是1.4亿千米。这个数字和今天的数字很接近。

    直到20世纪下半叶,这种测量视差的方法还是获得太阳系中各种距离的唯一途径。因此,AU是由一些基础常量的组合构成,这组公式可以将角度测量值转换为距离。最近,AU的新定义为(请深吸一口气读完这句话):“一个无限小质点围绕太阳不受干扰的圆形牛顿轨道运行的半径,平均运行角速度为0.01720209895弧度/天(这也被称为高斯常数)”。

    新AU定义的核心是高斯常数,这使德国数学家卡尔·弗雷德里希·高斯的许多跟随者们异常兴奋,却为天文学家们带来了许多困扰。德国德累斯顿工业大学的天文学家谢尔盖·克里欧那认为,这种定义方法会使刚开始接触天文学的学生们毫无头绪。但更重要的是,之前的定义方法与爱因斯坦的广义相对论产生了冲突。

    与它的名字相合,广义相对论中使时空成为一个依赖于观察者位置的相对量。那么之前对于AU的定义方法也需要改变。根据克里欧那的解释,在地球参考系中测量AU的长度会与在木星参考系中测量的长度相差大约1000米或是更多。这种偏差不会影响飞行器,因为飞行器对AU的测量属于直接测量方法。但它会使建立太阳系模型的行星科学家们头疼不已。

    太阳也引生出另一个问题。高斯常数基于太阳质量,因此AU无可避免地会与太阳质量产生联系。但太阳在辐射能量的同时损失了一些质量,这种质能转换也会慢慢地改变AU的数值。

    重新修订的定义方法消除了旧AU的各类问题。新的固定距离数值与太阳质量无关,并且距离单位“米”也被定义为光在真空中1秒钟行进距离的1/299,792,458。因为光速在所有参考系中都是常量,AU不会因观察者在太阳系中的位置而改变。经过几十年的发展,AU的定义可以被逐渐改善:现代天文学家可以引用飞行器、雷达和激光直接测量这段距离。但法国巴黎天文台的天文学家尼科尔•卡皮泰纳说,“有些科学家们认为改变定义会出现麻烦。”一些学者担心定义的改变可能会扰乱电脑程序,另一些人则是从感情上难以割舍旧标准。但这几年经过卡皮泰纳、克里欧那还有其他人的积极游说,修改后的单位终于被大家承认。

    卡皮泰纳和克里欧那认为,精简后的AU定义已经为她们的生活带来了积极影响。劝说大家接受新概念确实花费了大量时间,但卡皮泰纳说:“我可以有更多时间奉献给我的研究。”

    “我很高兴无需再向学生解释AU的定义,”克里欧那补充道。新的定义“可以让每个人都很容易地理解。”

    本文经《自然》(Nature)杂志授权。这篇文章第一次发表于2012年9月14日。

    (环球科学 王烁洋)

    原文链结:[科学美国人] https://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=astronomical-unit-or-earth-sun-distance-gets-an-overhAUl

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