星系之间相距有多远？我国天文学家找到一把“量天尺”

北京到上海的距离是1200公里，地球到月球的距离是38万公里，然而在茫茫宇宙，从一个星系到另一个星系有多远？

在以“光年”为距离单位的星系面前，我国天文学家发现了测距的新方法，即利用双周期的天琴座RR型变星作为 “标准烛光”，可实现星系批量高精度测距。

北京时间6月20日，国际学术期刊《自然·天文》在线发表了该成果。潮新闻记者采访到成果负责人、中国科学院国家天文台冷湖基地团队陈孝钿副研究员。

标准烛光艺术图 采访对象 供图

星系相距有多远？需要一把“量天尺”

遥远星系相距有多远？人类无法用普通的尺子量出答案，但可以通过别的方法来确定，例如，天文学家常常依赖一类被称为“标准烛光”的天体。

“某些恒星常常被作为‘标准烛光’，它们就像一盏已知功率的灯，在测量遥远天体距离的时候，可以起到‘量天尺’的作用。” 陈孝钿说。

为此，天文学家们发明了相关的公式，只要测量“标准烛光”天体，看看在地球上观测到的它有多亮（视亮度），再结合它原本应该的亮度（内在亮度），把这两个数据代入相关公式，就能算出这一天体所在位置到地球的距离。

但难点在于“标准烛光”是否足够‘标准’？换句话说，在观测过程中，因为距离太过遥远，在地球上看到作为“标准烛光”天体的真实亮度，会受到一些因素影响，从而影响计算结果，形成距离误差。

陈孝钿说表示，金属丰度就是“标准烛光”内在亮度的主要影响因素，这是指天体中除氢和氦以外的重元素的总质量，“也就是说，拥有不同重元素的恒星具有不同的内在亮度。”

因此，在传统测距方法中，想减小天体距离的误差，就需要先测量标准烛光的金属丰度。但是测量标准烛光的金属丰度成本往往很高，需要通过光谱测量获得结果。“即便是我国的郭守敬望远镜（LAMOST）已经获得了数千万条光谱数据，是世界上最大的光谱库之一，但这些数据广袤的宇宙中，仍然只是冰山一角。” 陈孝钿说。

绕过金属丰度，测距新方法简单又准确

既然测量天体的金属丰度很困难，那可否绕过这一影响因素？

利用我国郭守敬望远镜（LAMOST）和斯隆数字巡天（SDSS）数据，研究团队首次论证了新的“标准烛光”，即多周期的天琴座RR型变星。

天琴座RR型变星是一群脉动变星，属于特殊的恒星。它们广泛存在于银河系及其他星系，发出的光亮如同心跳一样，会随着时间发生规律变化。在天琴座RR型变星中，有3%-10%具有多周期变化的特点。

团队发现，天琴座RR型变星的多个周期与金属丰度之间存在线性关系，从而首次建立了不受金属丰度影响的“变星量天尺”。

“多周期脉动变星非常独特，它们的光亮变化周期与金属丰度有关。因此只要知道了周期光变，就知道了金属丰度，从而就算不测量金属丰度，也能测量距离。”陈孝钿解释说，利用多周期天琴座RR型变星作为“量天尺”，可以用来测量星系、矮星系或星团的距离。

与金属丰度的测量相比，这套只需测量光变周期的方法既简单又准确。“基于相关数据，我们论证了多周期天琴座RR型变星这把‘量天尺’可以将星系距离的误差优化到1%-2%。”论文共同第一作者中国科学院大学博士研究生张健星说道。

“这项工作意味着只要通过测光，不依赖光谱观测，就可获得近邻星系的高精度距离。”论文作者之一、中科院国家天文台邓李才研究员称，该成果可以使高精度星系样本增加20倍以上。

本星系群的三维艺术图

揭开宇宙神秘面纱，可以用于挖掘巡天望远镜数据

在应用层面，此项成果有望用于挖掘未来中国空间站巡天望远镜获取的观测数据。

公开信息显示，2024年前后，我国将发射升空首个大型巡天空间望远镜（CSST），与空间站共轨长期独立飞行。该望远镜的观测波段涵盖近紫外到近红外，观测效率是哈勃空间望远镜的上百倍。

巡天望远镜升空后，将成为人类新的“飞天巨眼”，对近半个天空开展10年的监测。“人们通过它可以观察到很远的天体。这其中，有望能发现近百个近邻星系中的上万颗多周期天琴座RR型变星。”陈孝钿表示。

2019年，陈孝钿所在团队曾利用造父变星，绘制出首张银河系三维结构图，相关研究成果发表于《自然·天文》。

“未来，利用巡天望远镜数据以及多周期天琴座RR型变星这把最好的‘量天尺’，我们将可以刻画一张精细的银河系、相邻仙女星系、麦哲伦星云等在内的本星系群三维直观图象，并以此限制和更新哈勃常数，可让我们进一步揭开宇宙神秘面纱。”陈孝钿畅想道。