如果把人類發現的最亮的恆星放在比鄰星的位置上,能把地球的夜空照亮嗎?

如果把人類發現的最亮的恆星與地球的距離為4光年多一點,我們所看到的夜空是一種什麼樣的景象?

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如果把人類發現的體積最大恆星放在比鄰星的位置上,從地球上看,它有多大??

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太長不看:如果把人類目前發現的最亮的恆星放在比鄰星的位置上,帶來的效果可能相當於日落後半小時左右天空的亮度,可能比滿月時候的天空亮那麼一些些。


這道題我們可以換個思路,即

「在比鄰星的位置上放一個多亮的天體,能把地球的夜空照亮?」

這裡的關鍵是「把地球的夜空照亮」

問題來了,怎樣才算能算是「亮」呢?

最近太陽落山以後,天空中有三個引人注目的亮點,它們其實分別是木星、火星和金星,三顆行星的光芒不輸暮光,但肯定還遠遠談不上「照亮地球的夜空」。

有沒有再亮一些的天體?

有啊,就是月亮,這裡主要說的是滿月。

在晴朗無雲的環境下,滿月的亮度照出影子已經綽綽有餘,甚至可以看書。

這時候,即便不是月亮附近的夜空,似乎也並不是漆黑一片了。

看來滿月的亮度可以勉強當作「照亮地球夜空」的亮度下限,不過我覺得還差點意思。

在地球上看,比月亮還亮的就只剩太陽了。太陽能不能照亮地球的天空這個問題,我覺得只要是地球人,都不會給出否定的回答。

這樣經過一番初步分析,我們可以知道,要想照亮地球夜空,天體的亮度下限必須超過滿月的亮度,上限的話太陽足夠了,太陽本身就足夠亮瞎了。

其實太陽也有不那麼亮瞎的時候,比如在日全食的時候,當太陽幾乎被月亮遮擋住,亮度會出現肉眼可見的下降,地面上的影子也變得不太明顯,但天空還是比一般的傍晚來得亮堂。粗略估計,這個時候的太陽亮度是正常水平百分之一到千分之一。這可作為一個新的亮度上限。

我們這時候可以把上限和下限轉化為天文學中的常用標準了,天文學上一般用「星等」衡量天體的亮度,天體越亮,對應的星等數值越低,比如說,1等星比6等星亮,-1等星又比1等星亮。

滿月最亮時,星等接近-13等,而太陽的星等是-26.74等(參考維基)。

現在我們規定星等相差5等,相當於亮度相差100倍,那麼正常太陽亮度的百分之一到千分之一就介於-19到-21等,方便起見我們就取-20等吧。

也就是說,如果現在比鄰星的位置上有一顆亮度介於-13等到-20等的天體,這個天體應該能夠照亮地球夜空。

要注意,這裡說的星等是「視星等」,並不代表天體的真實亮度,天體的真實亮度一方面和天體本身有關,另一方面也要看天體和地球之間的距離。

天文學上我們用一個叫「絕對星等」的概念來表示天體的真實亮度。那麼,如果在比鄰星的位置上有一顆視星等介於-13到-20等的天體,它的絕對星等是多少?

此處將出現本回答唯一一個公式:

M=m+5-5log_{10}d

這是計算天體絕對星等的公式。這裡的m為視星等,d為天體距離,單位取秒差距(1秒差距約為3.26光年)。

我們可以拿太陽試試水,已知太陽視星等為-26.74,與地球距離為1天文單位,合1/206265秒差距(1秒差距=206265天文單位)

M_{sun}=-26.74+5-5log_{10}frac{1}{206265}approx4.83

太陽的絕對星等為4.83

我們不妨把這個在比鄰星位置的新天體叫做「夜太陽」,那麼夜太陽的絕對星等下限為

M_{下限}=-13+5-5log_{10}frac{4.3}{3.26}approx-8.6

上限為-8.6-7=-15.6等

我嘗試說人話,如果夜太陽的絕對星等為-8.6等,就相當於天空中多了一個滿月;如果夜太陽的絕對星等來到-15.6等,那麼就真的相當於多了一個小太陽。

參考List of most luminous stars,以下限為準,天空中有很多恆星都能達標。如果是高標準嚴要求,那還真是一個能打的都沒有。目前人類發現的最能發光的恆星,絕對星等滿打滿算-13等,換算成視星等就是-17等,有人(Radiometry and photometry in astronomy)做過估算,這可以等價於暮光/晨光的亮度,我覺得可以參考日落後半小時左右天空的亮度

PS:維基給出的絕對星等並不是可見光波段下的絕對星等,所謂的-13等要再打折扣,扣完以後其實和滿月也不差多少了。參考 @Kenneth Pan 與 @劉博洋


所以太陽只有一個,還是要好好珍惜呢。


挺有意思、但其實不難計算的一個問題。

目前人類發現的最亮的恆星,是在大麥哲倫星雲的 R136a1 星。按熱輻射亮度(bolometric luminosity)來算,為太陽的871萬倍。(見圖一)

比鄰星離地球大約4.367光年,也就是摺合約276174 AU(天文單位),或曰:大約是太陽離地球距離的27.6萬倍。

光是一種電磁輻射,隨著距離以平方率衰減。也就是說,計算R136a1星在比鄰星的位置,只需要很簡單的一道算式:

8710000divleft( 276174^2 
ight)

答案就是:假如R136a1星位於現實世界中比鄰星的位置,對於在地球上的觀察者來說,其亮度將是太陽的 0.0001142, 也就是大約為太陽亮度的萬分之一。

好像很少,對不對?但是滿月的亮度只有太陽亮度的四十萬分之一。(見圖二)

也就是說,R136a1(比鄰)星的亮度,將會是滿月的四十倍。

*** 1.1版更正:以上計算漏了R136a1是一顆沃爾夫-瑞業星(Wolf–Rayet star)這一事實。與太陽這樣,發出的電磁輻射50%左右為可見光的主序星不同,沃爾夫-瑞業星發出的電磁輻射中,大部分為紫外線,甚至有相當部分為X光,可見光反而只佔小部分。

所以 @劉博洋 兄的計算結果是正確的:對於地球上的觀察者來說,R136a1(比鄰)星的亮度只是大約和滿月相當。

... 我先回去面壁了。以後再也不一邊打EVE,一邊回答嚴肅問題了。

*** 1.1版結束 ***

圖一,最亮的恆星,來源:維基百科

圖二,太陽與滿月亮度對比計算,來源:維基百科

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我對Kenneth Pan的回答有點異議。 R136a1 是沃夫-拉葉星。其光最亮的部分在紫外和遠紫外波段,並不在可見光波段。可見光波段一般採用V波段星等。R136a1 的visible magnitude (V 波段視星等)只有12.23等(VLT V band),換算一下在 visible Absolute magnitude(可見光絕對星等) 只有 12.23+5-5* log (163000/3.26) =-6.26等,換算到比鄰星的距離大約是12.23+5-5log (163000/3.26*10/1.295)= -10.7等,不如滿月(-12.6)。

需要注意的是,wiki 記錄R136a1 的視亮度絕對星等列為-8.09等,這是使用了哈勃望遠鏡F555w 濾光片得出的結果。實際上兩個filter 不一樣,V 波段濾光片應該更接近人的視覺。

用List of brightest stars把全天視星等最亮的一百顆恆星V 波段絕對星等做了個排名,Deneb(天津四)排名第一。 它是一顆藍白超巨星。實際上, Alnilam(參宿二), Rigel(參宿七)等都是藍超巨星或藍白超巨星,由於天津四已經離開主序星階段,恆星直徑現在膨脹到太陽的200倍以上,因此造成其亮度在V band 非常高,恰好其光譜是A型,A型恆星光譜峰值仍然在可見光波段內。這是合理的解釋為什麼它在V 波段是最明亮恆星之一。

天津四在比鄰星位置的視星等=-8.26-4.44=-12.7。和滿月差不多,不能照亮星空~

但是這個回答仍然有問題,因為R136a1 附近有很多的塵埃,因此其測光值可能被低估了。

另外,可以通過恆星理論上計算V波段最亮的恆星類型,這個就超出了我的能力了。

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Update: 劍魚座S (最高V 波段絕對星等 -10)和海山二(V 波段 絕對星等 -8.6)等恆星可能是V 波段更亮的恆星,但是它們都是變星的一種。恆星到了如此巨大的質量和亮度之後之後,在本質上是不穩定的, 亮度在以年為單位的尺度上發生巨大的變化。就不好定義其絕對星等了。

有些人很奇怪為什麼在大麥雲里有R136a1 這麼亮的星。其實這麼亮的星有很多。R136a1屬於大麥哲倫星系裡的蜘蛛星雲。蜘蛛星雲和M33裡面的NGC 604 應該是本星系群裡面最著名的HII 區了,它們也是恆星形成最為猛烈的區域之一,產生著數以萬計的O,B 恆星~可以推測,在M82和觸角星系等星爆星系中,這種大質量恆星會更為常見。可惜的是,我們的望遠鏡目前只能分辨出這些離我們很近的本星系群內的超巨星。否則我們會有更多驚人的發現~

蜘蛛星雲里的R136星團

NGC 604, 本星系群最猛烈的恆星形成區域

圖片地址:

R136 - Wikipedia?

en.wikipedia.org圖標http://chandra.harvard.edu/photo/2009/n604/?

chandra.harvard.edu


不考慮超新星這種炸完就沒的,只看主序星,已知最亮的大概是光譜型為O3的恆星,例如HD 93129A,光譜型為O2.7,GAIA g波段絕對星等-5.3(絕對星等是在10秒差距處的星等,GAIA DR2數據推算。GAIA g波段基本上就是可見光波段了),如果放到比鄰星處,也就是1.295秒差距處,則g波段星等-9.7,大概相當於上弦月的亮度。

參見 @Kenneth Pan 的答案,我舉的例子不是最亮的。

不過我算出來R136a1的話大概和滿月相當。


把R136a1放過來可否?當然不夠。

然而太陽的視星等為-26.7,而地球面對太陽時就是白天了,所以大約要-25視星等左右才能把地球夜空變成白天。所以只能把類星體放進來了。

根據星等公式m=M-5log10(d0/d)

當然,把R136a1放過來看。-12.5+5log10(4/32.6)=-13.41,當然就象看月亮一樣。

如果要照亮地球,需要把類星體SDSS J0100+2802放過來。該星體的亮度是太陽的420萬億倍,絕對星等為-31.7。放在比鄰星那裡這時視星等就已經到-36.25了,放在比鄰星那裡看到的夜空就比白天還亮。而且把它放在1000光年的地方,地球的夜空也還是像白天一樣。


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