想象一下,你是一位大胆的太空探险家,为了冒险而在太阳系中穿梭,如果时间允许,还可以进行科学探索。在乘坐火箭飞船从地球发射升空后,你最终发现自己身处曾经被称为行星的冥王星表面,仰望着星空。地球现在位于朝着太阳方向六十亿公里之外,因距离太远而变得不可见,你徒劳地挣扎着,甚至无法辨认出太阳。它消失了——只是无数恒星中的一颗,或者说,旧科幻小说中的桥段会这样认为。
我听过很多版本的这个小故事,但其中有一个小问题:它是错误的。
太阳确实是一颗恒星,与银河系中数十亿颗其他恒星没有太大区别。然而,对我们人类来说,最重要的是它的距离。地球在一个相当圆形的轨道上绕太阳运行,距离为 1.5 亿公里(在近日点和远日点可能会有几百万公里的偏差)——在天文尺度上非常近,以至于太阳是天空中最亮的物体。即使是匆匆一瞥它的光芒也会让你的眼睛流泪,并可能损害你的视网膜。
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但是从冥王星上看会是什么景象呢?那个冰冷的世界远得多,所以太阳应该显得更暗淡。但是“暗淡”到底有多暗淡呢?我们可以计算出来!
像所有恒星一样,太阳向各个方向发射光。因此,任何与太阳距离相同的人都会看到它以完全相同的亮度发光。这个固定的距离定义了一个球体的表面——例如,半径等于地球轨道半径的球体。
现在想象一下,有人离太阳的距离是现在的两倍。我们恒星发出的光现在覆盖了更大的球面表面,并且已经被稀释,或者更准确地说,是变暗了。回忆一下你的小学记忆,你可能会记得球体的表面积取决于其半径的平方。这意味着,离太阳距离是地球两倍的人会看到光线扩散到四倍的面积上,因此它会显得只有四分之一那么亮。将你的距离增加三倍,太阳将显得只有九分之一那么亮。这就是所谓的“平方反比定律”,它使数学计算变得容易得多。
平均而言,冥王星距离太阳的距离是地球的 40 倍。这意味着从冥王星上看,太阳显得比我们更晴朗、更熟悉的世界暗淡 40 x 40 = 1,600 倍(或者,用更好的数学语法来说,亮度为千分之一千六)。这是一个很大的下降!但那到底有多暗淡呢?
在我们的天空中,太阳比满月亮约 40 万倍。这意味着从冥王星上看,太阳仍然比从地球上看到的满月亮 250 倍。请注意,满月的光亮足以轻松阅读,因此即使是从遥远的冥王星上看,太阳也能很好地照亮地貌:亮度大约相当于地球上的黄昏。
显然,它会比最亮的夜星还要亮得多、得多。这样想:要让太阳看起来像天空中大多数其他恒星一样,它必须离你像天空中其他恒星一样远。例如,半人马座阿尔法星是一个三合星系统;它由两颗与太阳有些相似的恒星和第三颗暗淡得多的恒星组成。这些恒星中质量最大的那颗主导着这个星系的亮度。该系统距离地球 40 万亿公里——比冥王星远6,000多倍——但仍然是天空中最亮的“恒星”之一。显然,你必须比冥王星走得远得多,才能将太阳的光芒减弱到那种晦暗程度。
请注意,我也使用了冥王星与太阳的平均距离。冥王星的轨道实际上是相当椭圆的,与圆形有很大偏差。在最近点,它距离太阳大约是地球距离的 30 倍,在最远点,大约是 50 倍。这意味着,在最远的地方,太阳的亮度只有地球的千分之二千五——仍然足够明亮可见。而在最近点,它的亮度是地球的千分之九,比满月亮 400 多倍,并且会发出耀眼的光芒,以至于你看着它时不得不眯起眼睛。最好戴上太阳镜,即使在太阳系那么远的地方也是如此。
对于科幻小说的桥段来说,情况变得更糟。从冥王星上看,我们的太阳不仅比任何其他恒星都亮得多,而且还可以被分辨出来,也就是说,可以被看作是一个圆盘。在地球的天空中,太阳圆盘的大小为半度。视力正常的人可以分辨出小至六十分之一度的物体。物体的视大小随着距离线性下降;也就是说,当冥王星距离太阳的距离是地球的 30 倍时,太阳看起来只有地球的三十分之一那么大。这仍然足够大,勉强可以让我们看到太阳是一个圆盘。当然,它会是一个小圆盘,但不是一个没有可辨别大小的星状点。诚然,当冥王星离太阳最远时,我们的恒星看起来只有地球的五十分之一那么大,所以你会把它看作是一个无法分辨的点,但这种景象取决于冥王星在其轨道上的位置。在冥王星年中的很大一部分时间里,太阳将是一个耀眼但很小的圆盘。
那将是多么奇特的景象啊!太阳,在我们自己的天空中如此占主导地位,在冥王星的天空中仍然占据主导地位,但活力却远不如前。
碰巧的是,冥王星有一个大气层,尽管它非常稀薄,密度只有地球海平面空气密度的十万分之一左右。即使在中午,太阳高挂天空时,冥王星上也没有足够的大气来散射阳光,所以天空会是黑色的。但是太阳的眩光仍然会使人难以看到任何星星,更不用说成千上万颗星星了(尽管如果你用穿着宇航服的手遮挡住太阳,你可能会看到几颗)。
然而,在冥王星的黄昏时分,情况会发生变化。当太阳在地平线附近较低时,你将穿过更多稀薄的大气层观看,散射可能会将太阳附近的天空变成蓝色,就像地球上的天空一样!
我不确定冥王星上的蓝色天空会使那个异世界景观更令人感到舒适,还是仅仅会突显它的异域情调。但我喜欢科幻小说如何在科学的指导下,给我们带来对奇妙场所的真实感受。在冥王星上体验的所有奇特事物中,太阳的景象几乎位居榜首,但更奇怪的事情可能是,这样一个异域的地方有时可能会让你想起地球。