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为什么天上的星星除了月球外,肉眼看大小都差不多?

本帖由 漂亮的石头2017-09-19 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] 狐狸先生,研究天文学的狐狸

    首先,天上除了月亮,太阳也是一个苹果,所以应该是 2 个苹果,和很多的芝麻。

    天体看起来的大小由两个要素决定,天体本身的大小,和天体到我们的距离。大致上,天体的直径除以天体的距离,就等于天体在视野中占据的角度(单位是弧度 rad ,乘以 57 转化为度 degree)。太阳的半径是地球的 109 倍,距离地球 1.5 亿公里(定义为一个天文单位)。我们可以计算得出,太阳在天空中的张角是 0.5 degree。作为比较,我们把手臂伸直,食指挡住的角度大概是 1 degree.

    月球的直径是大致是太阳的 1/400,地月距离又恰好是是日地距离的大约 1/400,所以月球看起来和太阳差不多大。这很可能只是一个巧合。

    [​IMG]


    下面需要考虑,为什么其他的星星都差不多大呢?因为它们要么太远,要么太小。距离地球最近的金星,大小和地球类似,有 4 个月球大,但是距离地球最近的时候,也要比月亮远一百多倍。所以金星距离地球最近的时候,看起来也只有月球的 1/30. 火星,只有地球一半大,却比金星还要远一点。木星,是太阳系最大的行星,但是它比太阳小 10 倍,却比太阳距离地球还要远上四倍。所以看上去也小的很了。

    那么太阳系外的恒星呢?距离太阳最近的比邻星,距离地球有 265600 倍日地距离,可是大小还不如太阳。其他恒星就更远了。而恒星的体积越大,寿命就越短。特别巨大的恒星早已经死光,今天银河系里大多数的恒星和太阳差不多,甚至更小些。因此,夜空中的恒星看起来也都非常小,和芝麻一样也就不奇怪了。

    我们还可以进一步考虑,是否有可能有另一个世界的生命,它们头顶上有很多的苹果大小的天体呢?

    我们知道在太阳系内,木星的卫星有很多,而且木卫一到木卫四,大小都有几千公里,距离木星表面也不远。所以,如果我们在木星周围建造一个空间站,我们是可能看到 4 个从苹果到枣子那么大的明亮天体的。当然,这四个天体并不总是同时出现在天空。

    但是,在太阳系内,像木星这类巨大的气态行星,总是拥有很多的卫星。但是这些气态行星表面重力太强,却不适宜生命繁衍。像地球这样的类地行星所拥有的卫星数量都很少。卫星最多的火星也只有 2 个卫星。这种差别和行星的形成机制有关。以此推断,即使在其他和太阳类似的恒星系有生命存在,如果它们是生存在类地行星上的,也很难看在天空中到多个大星球。

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    在木星的某个卫星上,夜空的假想图。© Lynette Cook(Artwork fromExtrasolar Planets - Collection II, used with permission)View of Gliese 876 and one of itsJupiter-class planets from a rocky moon, as imagined by Cook

    但是,近年来人们发现,在有的超冷矮星这类非常暗弱的恒星周围。可能密集排列着很多地球大小的行星。比如去年非常火的 trappist-1 超冷矮星,周围就有 7 颗行星,6 颗大小都和地球尺寸相差不多。这些行星的轨道相距近的只有几十万公里。所以,如果站在其中中间的一颗行星上。有可能会有机会同时再天上看到好几颗明亮的和天体。

    [​IMG]

    NASA/JPL-Caltech​

    那么是否在有的世界中,可能在天空中看到好多颗恒星呢?在银河系里,恒星最密集的地方可能是球状星团的中心。在球状星团中心,恒星的平均距离可能只有一百天文单位。这些恒星大多数看起来还是不会太大,但是它们的亮度却可以超过月亮。如果在球状星团中心有生命存在,那么它们的夜空会无比璀璨。但是球状星团中的恒星运动非常复杂,会彼此频繁的近距离相遇。如果一颗行星围绕恒星运动,它很容易在这种频繁的恒星会面中被引力作用抛飞。很难想象,这种地方会演化出生命。

    [​IMG]

    武仙座 M92 Daniel Bramich (ING) and Nik Szymanek. - http://www.ing.iac.es/PR/science/high.html

    最后,夜空中的天体除了卫星,行星,恒星以外。还有银河系外的天体,比如其他星系。这些银河系外的星系,可以汇聚上百亿,上千亿的恒星。有些近邻星系在夜空中其实也很大。 比如在南半球夜空中可以看到的大小麦哲伦云,都要比月球看起来大得多。北半球可以看到的 M31 仙女座大星系,M33 三角座星系也都要比月亮的角直径大,但是肉眼只是勉强能看到。


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