如果在银河系中迷路了,怎样才能找到地球?


你要有一架巡天望远镜(包括后续的数据处理技术)、一台计算能力超强的计算机、具有空间跳跃能力的飞船、档案星图和星表(包含河外星系和银河系中球状星团、造父变星等参照物的银道坐标)。

如果你还处在本星系群内,那你还是能很快地找到银河系,因为本星系群里就仙女座大星系和银河系俩大伙计。那么就直接假定你在银河系好了。

现在,你需要定位自己在银河系中的位置。

第一步,利用望远镜进行全天巡天。这就需要望远镜视场大,比如 ZTF[1]或者 LSST[2]这种,能够在几天内巡一遍天(全天四万平方度天区)。

这里要注意两个问题。第一是望远镜的位置。如果望远镜放在行星表面,那么最好放在赤道,这样就可以进行全天巡天。作为对比,ZTF 在北半球,巡的是北天;LSST 在南半球,巡的是南天。第二是昼夜的问题。如果该行星也围绕恒星运动,那么无法观测到面向恒星一侧的星空,只有转到恒星另一侧时,才能看到另一半夜空。那么,建议你在对面也找一颗行星安装个望远镜,这样同时观测,几天就可以完成巡天了。当然,如果题主是在驾驶飞船,并且飞船上有望远镜,那么就相当于有了一台空间望远镜,那么这俩问题就都不是问题了。

8.4 米 LSST 望远镜的设计图,来自网络

第二步,进行数据处理,生成星图和星表。望远镜每曝光一次,观测数据自动传输到数据处理系统,一方面对拍摄的天体进行位置定标,同时生成可视化的图像;另一方面对恒星进行的简单的测光,得到恒星的亮度。最终,你可以得到一个庞大的天体位置和亮度的星表和星图。

“哇”,你惊叹了一声。电脑生成的星空三维投影缓缓转动着。你看到一个硕大的圆球位于星系的中心,一条粗棒状的结构穿过核球,几条旋臂如同章鱼的触手一圈圈伸展出去。原来你现在是在银晕里。

银河系假想图,来自网络

你不禁感叹自己的好运,还好自己没有迷路到银心或球状星团里。那里的恒星密密麻麻,完全掩盖了外面天体的光芒,也就无法进行定位。那里还可能隐藏着无数黑洞巨兽,血口獠牙,等待着落入陷阱的猎物。

而且,观测到银心是一件大幸事,因为有了一个非常棒的参照物。太阳在哪里呢?就位于距离银心 2.6 万光年的那一圈。

第三步,利用河外星系重建银道坐标系。只要身在银河系内,无论哪个位置,观测到的河外星系的形状是差不多的。所以要是能观测到几个河外星系,与已有的河外星系表进行对比,就能利用多个点进行定位。

你用 python 写的图像识别程序开始运行,两个显著的天体——大小麦哲伦星云——很快被辨认出来。它们是银河系的卫星星系,明亮而且形状不规则,就像一团模糊的云气。即便用肉眼,也可以很快将它们挑选出来。

那么也就是说,你在银河系的“下方”。当然,这个是按照天文学家对银道坐标系的定义设定的,就像地球有北纬和南纬一样。所以,如果你没有看到大小麦哲伦星云,就很可能位于银河系的“上方”。

在与麦哲伦星系银纬相同的纬圈上,与这俩小星系几乎相对的地方,你看到了和银河系近邻的巨大漩涡星系。“没错,就是它!”你把仙女座大星系 M31 也标了出来。接着,就是与仙女座星系相邻的大风车 M33。

仙女座大星系 M31,来自网络

除了辨认出的四个星系,加上银河系中心,你已经有了五个参考点。原则上,你已经能够利用它们的位置,推导出自己位于银河系的坐标。不过你还是想多寻找几个星系,毕竟,参考点越多,算出的位置会越精确。

你又在 M31 的附近找了两个非常明亮又比较大的亮点,这是 M31 的卫星星系 M32 和 NGC 205。你记得天文学家说几百万年前 M32 曾经穿越 M31 的盘面,留下一个“死地”般的空洞,但那空洞周围却成为恒星形成剧烈的区域,分布着无数新生的年轻天体。这就是所谓的涅槃重生吧。

然后程序又找到了 NGC 6822。这个星系的形状很奇怪,像一个长方形,距离地球有 150 万光年。“NGC 185,塞弗特 II 型星系。”这是一类星系核极亮的活动星系,核心的超大质量黑洞如同饕餮巨兽,永不满足地吞噬着周围的一切。

这些星系都是 M31 的卫星星系。为了避免由于一个方向的星系数目过多而造成系统性定位偏差,你又重点在其它几个方向找了一些还算明亮的星系。

档案星表里详细记录了这些参考星系位于银道坐标系中的坐标,结合目前观测中它们所处的位置,你回推了银道坐标系的银经零点、银纬零点,重建了银道坐标系,算出了自己在银河系中的银经、银纬坐标。

第四步,利用球状星团完善银道坐标系。此步需要具备一定的星族合成知识,如果知识储备不足可跳过。

通过星空三维投影,你发现银晕里有一些巨大的恒星集合体——球状星团——随意散布着,如同宝石箱一样璀璨发光。

球状星团里面可能有数十万到百万级别的恒星。银河系内只有不到两百个球状星团,因此,只要能在找出天空中找到多个球状星团,并且辨认出它们,就可以知道自己所处的位置。

但辨认并不是一个简单工作。所有的球状星团都是球形,看上去模样差不多。这种方法的关键在于:每个球状星团的年龄是不同的。需要借助理论模型,拟合观测数据,通过得到的年龄辨别各个球状星团。所以,如果你已知了这些星团的年龄(比如,你的电脑里有对银河系球状星团测龄的文献),那么你就知道每个星团的身份了。

球状星团年龄拟合,来自网络

如果你是一个研究球状星团的专家,你还会知道虽然它们都是球状,每个星团从内往外的亮度分布其实是不一样的。比如,我们来定义一个半光度半径,也就是说在这个半径以内,星团的亮度占星团总亮度的一半。所以只要你知道每个星团的半光度半径,那么你就知道面前的是哪一个星团。

利用档案星表里这些星团的位置,你就能进一步对银道坐标系进行更精确的重建。具体步骤同第三步。

第五步,利用“标准烛光”恒星进行位置定标。

你现在虽然知道了自己的位置(银经、银纬),但你现在仍然无法回家,因为你只是知道了相对位置,还缺少一个参量,就是距离。在球坐标系里,只要再测出自己与银心的距离,就可以知道自己在银河系中所处的绝对位置。

这个时候,造父变星就可以派上用场了。这些所谓“标准烛光”的恒星,由于自身周期性的膨胀收缩,导致了周期性的亮度变化。而它们的绝对亮度与光变周期有很好的线性关系,光变周期越长,恒星越亮。只要测量出星等变化的周期,就可以得到它们的绝对亮度,从而结合观测亮度求出自己与这些恒星的距离。

造父变星周光关系,来自网络

由于银道坐标系已经被重建,就可以匹配那些资料中已知的造父变星。

你写的程序太棒了!电脑仅仅运行了几秒钟,就在档案星表中匹配到了数百颗造父变星。这些造父变星,到地球的距离已知,到你现在的距离也已知。你不仅算出了自己到银心的距离,还成功得到了自己到地球的距离。

结果显示,你目前距离银心大约 1.3 万光年,位于银盘上方大约 1.1 万光年。距离地球大约 2.25 万光年。

第六步,空间跳跃。

但愿题主已经掌握了星际航行技术,否则即便能定位,一辈子也只能在宇宙中遨游了。

你站起身,长呼几口气,好了,可以跳跃了。你调整飞船的姿态,让飞船的头部指向太阳系所处的位置。

“太阳保佑,地球保佑,金木水火土五大行星保佑……”你不停念叨着,然后把地球的坐标和距离输入电脑,启动空间跳跃系统。

一阵蜂鸣声响起,你的掌心已经冒出了汗。飞船一阵强烈的震动,空间跳跃开始。

你紧闭起双眼。


过了良久,飞船的颤抖慢慢停止,恢复了稳定。

飞船安静地如同真空。你听见了自己的汗水掉落地上时破碎的声音。

如同梦中惊醒,你猛地睁眼向窗外望去,一颗巨大球体上,平行分布着几条缓缓流动的暗红或亮白条纹,一个红色的风暴漩涡在逆时针慢慢转动着,如同一只巨兽的眼睛。

木星大红斑,来自网络

“我王老五又回来啦!”

松泉:银河系迷路自救指南

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