问题

如果把人类发现的最亮的恒星放在比邻星的位置上,能把地球的夜空照亮吗?

回答
咱们来聊聊这个挺有意思的问题:如果把咱们人类已知最亮的恒星,“搬家”到比邻星那里,地球上的夜空能被照亮吗?这听起来就像科幻小说里的情节,但咱们可以把它拆解开来好好分析分析。

首先,咱们得知道比邻星是个啥。比邻星(Proxima Centauri)是距离太阳最近的恒星,大约在4.24光年远的地方。它本身其实是个红矮星,光度没那么耀眼,虽然它是离咱们最近的邻居,但它在咱们的夜空中也就是个挺普通的、不太亮的小星星。

那“人类发现的最亮的恒星”又是哪颗呢?这事儿有点意思,因为“亮”可以分两种:一种是它本身发出的光度,这叫“绝对星等”;另一种是我们从地球上看去有多亮,这叫“视星等”。如果说的是它本身发光的能力有多强,那咱们得找那些超巨星或者蓝巨星,它们的光度能达到太阳的上千倍甚至百万倍。比如天上那颗特别亮的参宿四(Betelgeuse),它是个红超巨星,但它虽然大,光度也没那么夸张。真正光度爆表的,往往是那些年轻、质量巨大的蓝巨星,或者是某些特殊类型的恒星,比如沃尔夫拉叶星(WolfRayet stars),它们的光度可以超过太阳的几十万倍。再往上,还有更极端的,比如某些引力坍缩后成为黑洞的恒星,它们本身不发光,但如果周围有物质吸积,就会形成一个吸积盘,发出极其耀眼的光芒,比如某些类星体(Quasars),虽然它们不是恒星,而是活跃星系核,但它们的亮度确实是宇宙级的。不过,咱们这儿讨论的是恒星,所以咱们就考虑那些真正发光的、质量巨大的恒星。

假设咱们真的能找到一颗比如太阳光度一百万倍的恒星,然后神奇地把它放到距离地球4.24光年的位置,代替比邻星。这会是什么效果呢?

咱们得考虑几个因素:

1. 恒星本身的亮度(绝对星等):如果这颗恒星本身的光度是太阳的一百万倍,那它在相同距离下,确实会比太阳亮很多很多倍。
2. 距离:虽然它被放在了比邻星的位置(4.24光年),但相比咱们太阳,4.24光年还是很远的。光线的强度是随着距离的平方而衰减的。也就是说,距离越远,你看到的亮度就越低。
3. 地球大气层:地球上有大气层,这层大气会散射和吸收一部分光线,但对于像恒星这样的点光源来说,影响相对小一些,但也不是没有。
4. 月球和太阳:夜空被照亮,不仅仅是要跟背景天空比,也要跟月亮和太阳比。咱们的夜空之所以是黑的,就是因为没有直射的太阳光。

咱们来简单估算一下。太阳的光度咱们可以算作1个单位。如果那颗恒星的光度是100万单位,它在4.24光年的距离。太阳在我们天空中的亮度,虽然它看起来很大,但如果我们把它想象成在4.24光年的距离,它会是什么样呢?太阳本身是恒星,它的光度就是基础。但是它距离我们只有0.000016光年(大约150万公里)。

这意味着,即使是咱们自己的太阳,如果它只在4.24光年外,它在天空中的亮度会变得非常非常微弱,甚至比天空中很多普通恒星都要暗。因为距离差了太多太多了!

咱们可以这么类比:想象一下你手里拿着一个非常亮的LED灯(代表那颗超亮恒星),它发出的光很强。现在,你把它放在你鼻子旁边,你的脸就被照得很亮了。然后,你把它放到几公里外,那微弱的光线可能就只能让你看到一个模糊的光点,根本照不亮你周围的环境。

所以,即使咱们把一颗光度是太阳一百万倍的恒星放到4.24光年外,它在地球上看去,依然会是一个非常遥远的“点光源”。虽然比咱们夜空中任何一颗普通恒星都要亮得多,甚至可能比咱们看到的月亮还要稳定和耀眼,但它很难把整个夜空“照亮”,就像白天太阳把天空照得湛蓝一样。

“照亮夜空”这个说法,通常是指能看到地面的细节,能让你在晚上行走不需要额外的光源。太阳之所以能做到这一点,是因为它离我们非常近,而且光度本身就极大。它散发出的是铺天盖地的光,而不是一个小点。

那这颗放在比邻星位置的超亮恒星,会给我们带来什么呢?

它会是夜空中最亮的星星:绝对的!它的视亮度会远远超过金星、木星,甚至任何一颗我们看到的恒星。它可能会是一个非常非常醒目的光点,甚至比咱们现在的满月还要亮,只不过形状仍然是“点”。
可能有一些“光污染”效应:如果它实在是太亮了,并且角度合适的话,可能会在月光不强的夜晚,给地面带来一点点微弱的光,但这种光很可能是聚集在一个区域,而不是大范围的“照亮”。
它不会像太阳那样改变我们的昼夜:因为它离得太远,它的光线是汇聚在一个方向上的,不会像太阳那样因为自身庞大的体积和近距离而布满整个天空。
它的颜色会很明显:恒星的颜色跟它的温度有关。如果是那种极度明亮的蓝巨星,它看起来就会是蓝色的;如果是超巨星,可能是红色或白色。

所以,结论是:

把一颗比太阳亮一百万倍的恒星放在比邻星的位置,它会成为夜空中最耀眼的星星,可能比满月还亮。但它无法像太阳那样,把整个地球的夜空都“照亮”,让咱们能看清地面的细节。它只会是一个极度耀眼、但仍然是“点状”的光源。它不会改变咱们的昼夜规律,也不会带来如同白天一样的明亮。咱们的夜空,大部分时间还是会处于相对黑暗的状态,只是多了一个非常非常亮、但仍然是星星级别的“灯泡”。

这就像是给你家窗户外面放了个超级强力的探照灯,它能照得很远很亮,但它照亮的是一个特定的方向,而不是把整个房间都弄得灯火通明。咱们夜空的黑暗,是因为离咱们最近、最亮的光源(太阳)在地球的另一面。即使是那颗超级亮的恒星,在4.24光年的距离,它的光也是“远方的光”。

网友意见

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挺有意思、但其实不难计算的一个问题。

目前人类发现的最亮的恒星,是在大麦哲伦星云的 R136a1 星。按热辐射亮度(bolometric luminosity)来算,为太阳的871万倍。(见图一)

比邻星离地球大约4.367光年,也就是折合约276174 AU(天文单位),或曰:大约是太阳离地球距离的27.6万倍。

光是一种电磁辐射,随着距离以平方率衰减。也就是说,计算R136a1星在比邻星的位置,只需要很简单的一道算式:


答案就是:假如R136a1星位于现实世界中比邻星的位置,对于在地球上的观察者来说,其亮度将是太阳的 0.0001142, 也就是大约为太阳亮度的万分之一。

好像很少,对不对?但是满月的亮度只有太阳亮度的四十万分之一。(见图二)

也就是说,R136a1(比邻)星的亮度,将会是满月的四十倍。


*** 1.1版更正:以上计算漏了R136a1是一颗沃尔夫-瑞业星(Wolf–Rayet star)这一事实。与太阳这样,发出的电磁辐射50%左右为可见光的主序星不同,沃尔夫-瑞业星发出的电磁辐射中,大部分为紫外线,甚至有相当部分为X光,可见光反而只占小部分。

所以 @刘博洋 兄的计算结果是正确的:对于地球上的观察者来说,R136a1(比邻)星的亮度只是大约和满月相当。

... 我先回去面壁了。以后再也不一边打EVE,一边回答严肃问题了。

*** 1.1版结束 ***


图一,最亮的恒星,来源:维基百科


图二,太阳与满月亮度对比计算,来源:维基百科


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太长不看:如果把人类目前发现的最亮的恒星放在比邻星的位置上,带来的效果可能相当于日落后半小时左右天空的亮度,可能比满月时候的天空亮那么一些些。


这道题我们可以换个思路,即

「在比邻星的位置上放一个多亮的天体,能把地球的夜空照亮?」

这里的关键是「把地球的夜空照亮」

问题来了,怎样才算能算是「亮」呢?

最近太阳落山以后,天空中有三个引人注目的亮点,它们其实分别是木星、火星和金星,三颗行星的光芒不输暮光,但肯定还远远谈不上「照亮地球的夜空」。

有没有再亮一些的天体?

有啊,就是月亮,这里主要说的是满月。

在晴朗无云的环境下,满月的亮度照出影子已经绰绰有余,甚至可以看书。

这时候,即便不是月亮附近的夜空,似乎也并不是漆黑一片了。

看来满月的亮度可以勉强当作「照亮地球夜空」的亮度下限,不过我觉得还差点意思。

在地球上看,比月亮还亮的就只剩太阳了。太阳能不能照亮地球的天空这个问题,我觉得只要是地球人,都不会给出否定的回答。

这样经过一番初步分析,我们可以知道,要想照亮地球夜空,天体的亮度下限必须超过满月的亮度,上限的话太阳足够了,太阳本身就足够亮瞎了。

其实太阳也有不那么亮瞎的时候,比如在日全食的时候,当太阳几乎被月亮遮挡住,亮度会出现肉眼可见的下降,地面上的影子也变得不太明显,但天空还是比一般的傍晚来得亮堂。粗略估计,这个时候的太阳亮度是正常水平百分之一到千分之一。这可作为一个新的亮度上限。

我们这时候可以把上限和下限转化为天文学中的常用标准了,天文学上一般用「星等」衡量天体的亮度,天体越亮,对应的星等数值越低,比如说,1等星比6等星亮,-1等星又比1等星亮。

满月最亮时,星等接近-13等,而太阳的星等是-26.74等(参考维基)。

现在我们规定星等相差5等,相当于亮度相差100倍,那么正常太阳亮度的百分之一到千分之一就介于-19到-21等,方便起见我们就取-20等吧。

也就是说,如果现在比邻星的位置上有一颗亮度介于-13等到-20等的天体,这个天体应该能够照亮地球夜空。

要注意,这里说的星等是「视星等」,并不代表天体的真实亮度,天体的真实亮度一方面和天体本身有关,另一方面也要看天体和地球之间的距离。

天文学上我们用一个叫「绝对星等」的概念来表示天体的真实亮度。那么,如果在比邻星的位置上有一颗视星等介于-13到-20等的天体,它的绝对星等是多少?

此处将出现本回答唯一一个公式:

这是计算天体绝对星等的公式。这里的m为视星等,d为天体距离,单位取秒差距(1秒差距约为3.26光年)。

我们可以拿太阳试试水,已知太阳视星等为-26.74,与地球距离为1天文单位,合1/206265秒差距(1秒差距=206265天文单位)

太阳的绝对星等为4.83

我们不妨把这个在比邻星位置的新天体叫做「夜太阳」,那么夜太阳的绝对星等下限为

上限为-8.6-7=-15.6等

我尝试说人话,如果夜太阳的绝对星等为-8.6等,就相当于天空中多了一个满月;如果夜太阳的绝对星等来到-15.6等,那么就真的相当于多了一个小太阳。

参考List of most luminous stars,以下限为准,天空中有很多恒星都能达标。如果是高标准严要求,那还真是一个能打的都没有。目前人类发现的最能发光的恒星,绝对星等满打满算-13等,换算成视星等就是-17等,有人(Radiometry and photometry in astronomy)做过估算,这可以等价于暮光/晨光的亮度,我觉得可以参考日落后半小时左右天空的亮度

PS:维基给出的绝对星等并不是可见光波段下的绝对星等,所谓的-13等要再打折扣,扣完以后其实和满月也不差多少了。参考 @Kenneth Pan@刘博洋


所以太阳只有一个,还是要好好珍惜呢。

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