空间物理漫谈 | 牛郎和他的一双儿女们
原创 大雁
一年一度七月七，天上牛郎会织女。
相传织女本是王母娘娘的外甥女，负责织出天空中的五彩云霞；牛郎本是天上的牵牛星，因私自与织女相恋而遭王母娘娘惩罚，被贬下凡，投胎到人间的牛员外家。不久后牛郎父母双亡，与哥嫂共同生活，后因哥嫂刻薄难容，被迫分家，独自一人与一头老牛相依为命。这头老牛也是有来头的，它本是天上的金牛星，因为在牛郎被贬时替牛郎说情，被王母娘娘一并处罚。一天，织女与众仙女一起下凡，在河中洗澡，牛郎在老牛的指点下偷偷拿走了织女的红色仙衣，并以此为媒妁，与织女结为夫妻，开始了男耕女织的田园生活，还生育了一儿一女，一家四口加上一头老牛，也算是其乐融融。王母娘娘获知织女下凡逾期不归，查明真相，凤颜震怒，即刻降旨，派天兵天将把织女押回天庭受审。原为金牛星下凡的老牛早早获悉了天庭的情报，临死前把消息透露给牛郎，让他在织女被抓走的时候，披上自己死后留下的牛皮，即可飞上天空，追上织女。这一天果然来了，牛郎按照老牛死前留下的话，用扁担挑着自己的一双儿女，披上牛皮就去追被抓走的织女。眼看就要追上了，哪知王母娘娘用玉簪一划，牛郎面前就出现了一条波涛汹涌的天河，幸福美满的一对夫妻被阻隔在天河两岸，织女在天河西侧，牛郎挑着两个孩子在天河东侧，扁担两头的篮筐里还有两个天真的孩子。王母娘娘念其夫妻情深、孩子可怜，允许他们每年七月初七在天河上由喜鹊所搭的鹊桥上相会。据说这天大雨如注，便是他们相会时流下的眼泪。
图1. 七月初七牛郎织女鹊桥相会。（图片来源于网络）
一些古代神话把地上的故事与天上的星星联系起来。这个故事中的牵牛星，就是天鹰座的α星河鼓二，也就是我们说的牛郎星。它旁边还有两颗小星星，分别是河鼓一和河鼓三。其中河鼓二最亮，在中间挑着扁担；河鼓一稍暗，偏白，离河鼓一稍远一点点；河鼓三偏红，离河鼓一稍近一些。三颗星大致呈一条线，并大致指向河对岸上游的织女星，勾勒出他们追赶织女的轨迹。故事中的金牛星，就是金牛座的α星毕宿五。织女星就是天琴座的α星织女星，而天河上的鹊桥，就对应着天鹅座的天津四以及旁边的天津一、天津二、天津九等星星。天河就是银河，“河水”从河中央的天津四流过。古代的人们仰望星空，把天上星星的排列想象成人间的故事，寄托着人们对美好爱情和幸福生活的追求。
图2. 星空中的夏季大三角及其所代表的牛郎织女的故事。（图片来源于网络）
七夕是个相聚的日子，也是一个浪漫的日子。每当提到牛郎织女的故事，我们常听到的联想是：牛郎星距离我们16.8光年，织女星距离我们25.3光年，它们彼此相距大约16.4光年；就算可以按光速走，牛郎星到织女星也需要16.4年之久。然而，很少有人关注牛郎星旁边的两颗小星星，它们距离地球有多远？它们与牛郎星真的靠得很近吗？如果按照光速飞行，这一双儿女又需要多久才能见到妈妈？
我们所常说的星座，是宇宙中的星星在天球上的投影，进而划分出的不同区域。天球就是以观察者为球心、以无穷远为半径的巨大球面，星星在天球上的投影，就是表达它们所在位置的最直观的方法。根据两颗星的角度（赤经、赤纬）和距离关系，通过把天球坐标系中的两点位置转换为三维直角坐标系中的两点位置，就可以很容易计算出它们之间的距离。按照上述方法计算，牛郎星和织女星之间的距离为14.8光年，而不是16.4光年；很少有人注意到的河鼓一与河鼓三之间的距离为416.1光年，这么说，这个扁担也算得上一个超级扁担了；扁担前面的箩筐里的河鼓三，距离织女星439.5光年；而后面箩筐里的河鼓一，距离织女星28.8光年。这么说，牛郎和他的一双儿女们，并不像我们所看到夜空中的三颗星那样“离得很近”，因为我们的视线无法分辨恒星的距离，我们所看到的只是它们在无穷远的天球上的投影而已。
图3. 聚焦于不同距离，照片中远近不同的景物，呈现不同的清晰度。
用双筒望远镜观察星空，是一种简单易行的方法。在夏季的夜晚，东方的星空最显眼的就是由织女星、天津四和牛郎星组成的大三角，这三颗星比较亮，很容易用肉眼看到它们。当你用双筒望远镜望向牛郎星，你会惊讶地发现，牛郎星旁边还有很多密密麻麻的小星星，而那“一双儿女”恰好同时落在视野中，其中偏红色的河鼓三在扁担的前面，偏白色的河鼓一在扁担的后面，三颗星联线指向远处的织女星。双筒望远镜中间有一个旋钮，可以对望远镜的聚焦位置进行微调。就像照片中的景物一样，当你聚焦在近处的景物时，远处的景物就会变得模糊；当你聚焦在远处的景物时，近处的景物就会变得模糊。双筒望远镜也是一样，调节中间的旋钮，可以调节视野中某一个星星的清晰度。细心的观察者可以发现，望远镜视野中的河鼓一、河鼓二、河鼓三这三颗亮星，不能调整到同时清晰。这是为什么呢？
图4.典型的折射望远镜成像原理图。（图片来自网络）
望远镜是用一个目镜和一个物镜组成的光学系统，典型的折射望远镜的工作原理都是由凸透镜作为物镜先在焦点附近成一个倒立、缩小的实像，再由凸透镜作为目镜再成一个倒立、放大的虚像，从而达到放大的目的，中间加上一个棱镜就可以把像正立过来。物镜焦距较大，目镜焦距较小，一般来说，二者焦距重合。通过双筒望远镜中间的调焦旋钮，可以微调物镜和目镜的距离，使远近不同的物体在望远镜视野中的成像清晰。远近距离相对差别较大的两个物体，无法在视野中同时清晰地成像。河鼓一距离我们44.7光年，河鼓二距离我们16.8光年，河鼓三距离我们460.7光年。因此，在用双筒望远镜观察河鼓一、河鼓二、河鼓三这三颗星时，如果调整旋钮使河鼓三清晰，河鼓二和河鼓一就变成了模糊的。 也就是说，用双筒望远镜，可以看到三颗星不能同时清晰地成像在视野中，原因就是它们的距离相对差别太大。这一典型例子之所以典型就在于，这三颗星恰好可以落在双筒望远镜的视野中，而且亮度差不多。其实星空中类似的例子还有很多，用心观察星空的小伙伴，可以采用这种方法选择典型目标，来检测一下星空中看上去 “离得很近”的星星，实际上它们的距离差别很大。
图5.河鼓一、河鼓二、河鼓三在视野中的位置以及它们的实际距离。
七夕来临之际，我们对牛郎织女的顺利相会充满乐观期待。既然以光速飞行都需要至少十几年才能彼此相会，那么我们还可以采用《星际穿越》中“时空折叠”的方法来帮助他们，通过虫洞到达彼此的地方，让牛郎织女能在既定时间相会，让牛郎的一双儿女也能在既定时间见到妈妈。
