本文基于回答网友类似问题。这个问题非常有趣,因为乍看这种说法似乎有点反常识:恒星相对行星的体积完全不在一个数量级,一般都比行星大数万倍乃至数十万数百万倍,这两种天体怎么能够拉在一起攀比呢?何况冥王星连行星都算不上,只是一颗小小的矮行星。

太阳是太阳系的唯一恒星,质量是地球的33万倍,直径是地球的109倍,体积是地球的130万倍;太阳系最大的行星木星,体积是地球1300多倍的木星,但也只有太阳的千分之一。而冥王星早已被踢出行星队伍,属于矮行星,直径只有太阳的587分之一,体积约太阳的2亿分之一。
但天体的视直径是不能仅按体积来对比的,而是这颗天体到达人眼的张角有多大。
即便如此,许多人可能还是会觉得恒星与冥王星天地之差难以类比。恒星与冥王星相对我们的距离完全不再一个数量级,比如距离我们最近的恒星南门二A星也有4.3光年,约为冥王星距离的1600多倍,但人们根本看不到冥王星,却能够看到南门二A很亮地挂在天际。
这样看来,恒星的视直径似乎完全秒杀冥王星。但事实却完全是相反的,迄今还没有一颗恒星的视直径能够达到冥王星,更别说比冥王星大了。因此,提出这个问题的网友,是很有些水平且善于思考的。

所谓视直径,是指在观测天体或物体时,观测者眼睛(节点)连接物体两端视线的夹角,以几何张角表述。
天体在人眼中的投影,通常以度(符号°)、角分(符号′)、角秒(符号″)为单位,其数值与物体实际距离成反比。也就是说距离越近,视直径越大,反之越小,反映的是物体在观测者视网膜上的投影尺寸。
由此可见,视直径不但反映了物体的大小,更反映了物体的距离。人眼的最小分辨率(极限分辨角)被称为瑞利判据,即在可见光波段下,物体投射到人眼的极限分辨角约为 1′(60 ″),这是国际公认的标准值。
瑞利判据的本质是两个点光源的衍射图样(艾里斑)中心间距等于艾里斑半径时,人眼刚好能区分这两个点。其公式为:θ=1.22 λ/D
其中,θ表示极限分辨角(弧度),λ表示入射光波长(可见光的平均波长约 550纳米,这是人类视觉最敏感的黄绿光波段),D表示瞳孔直径(暗环境下约 7毫米,亮环境下收缩至 2~3 毫米)。

瑞利判据可以简化为明视距离,也就是在距离25厘米位置,人眼能分辨的最小线宽约 0.1毫米(对应 1 角分的分辨角)。
从瑞利判据我们可以看出,无论是天体还是什么物质,都需要在适当距离,到达人眼时才能够达到最小分辨率,也就是最小张角,这样才能够被捕捉到。视直径或角直径的计算公式为:θ=2arctan( d/2D)。这里的θ表示视直径, d为天体实际直径,D为天体与观测者的距离。
根据公式,我们可以计算出一些典型天体的视直径:冥王星由于轨道椭圆,距离我们会远近变化,因此视直径在0.11″~0.16″之间;距离我们4.2光年的南门二A,视直径约为0.0076″;距离我们640光年的红超巨星参宿四,直径约为太阳的1000倍,视直径约为0.04~0.05″;距离我们约5100光年的盾牌座UY,直径约为太阳的1700多倍,被认为是已知最大体积的红超巨星,但视直径却只有0.01″。
由此可见,大大小小恒星,除了太阳以外,没有一颗恒星的视直径大于或等于冥王星。
也就是说,除了太阳以外的其他恒星,由于距离我们太远,其视直径都没有达到瑞利判据要求。那么,人类肉眼为什么看不到冥王星,却能看到许多恒星呢?

是的,人类在夜空中看到的恒星有六千多颗,能看到的行星只有太阳系内的金木水火土等五颗。肉眼能看到的恒星,距离最近的是南门二A,有4.3光年;距离最远的是仙后座 V662,又叫华盖三,有1.3万光年;第二远的是船底座 η星,又名海山二,有5500光年。
当然,这些恒星的视直径都远远没达到瑞利判据要求,也比冥王星视直径相差很大,为什么却能被肉眼看到呢?
原来人眼观测天体或各种物体,除了瑞利判据,也就是物体大小与距离关系的影响,还受光照条件与目标对比度,以及大气宁静度的影响,而且后者还往往起决定作用。比如有一个巨大的物体就在你眼前,但没有任何光照,也就是在一片漆黑的环境里,你就也什么都看不见。
这就解释了冥王星虽然距离我们较近,但由于本身不发光,只能反射太阳微弱的光,所以人眼根本看不见;而恒星是本身发光的天体,尤其是大质量大体积恒星,其光度极高,如华盖三的光度是太阳的50万倍,即便距离我们一万多光年,其光子也能够被我们的视网膜捕捉。
人眼观测天体时感受到的亮度是以目视星等衡量的,星等以数值表示,数值越小(含负数)就越亮,反之越暗。而人类极限分辨率的暗星视星等约为6.5等,也就是说6.5等以下的暗星发出的光子无法被人眼视网膜捕捉。

观测6等星,要视力很好的人,在观测条件很好的夜空才能够看到。冥王星的视星等约在13.6~16.3之间变化,所以人眼完全看不到。而那些远距离的恒星,如华盖三,视星等约为5.8等;海山二视星等约为4.3等;最亮的天狼星视星等达到-1.46等,最近的南门二A视星等为0.01等。
但这些看到,只是一个亮点,并不是视直径。
人们虽然看不到冥王星,但通过天文望远镜,不但能够看到,还能够看到其圆面。因为望远镜可以放大天体的视直径,如哈勃望远镜,可将天体放大1000倍,衍射极限约 0.05 角秒。这样在哈勃望远镜观测的冥王星视直径可达到110″~160″,也就是超过了人眼最小60″的分辨率,所以会被看到。
而视直径最大的恒星参宿四,放大1000倍也才40″~50″,还是没有达到人眼最小的分辨率。
哈勃望远镜虽然能够显示出冥王星的圆面,但依然看不清其表面细节,因为映入人眼的冥王星只有约12个像素,每个像素约覆盖冥王星表面76万平方公里的面积,怎么能看清楚上面的细节呢?所以,望远镜的放大效果最终还是受到视直径的影响。
恒星的视直径都远远小于冥王星,圆面也看不到,就更别说表面细节了。有资料认为某几颗红超巨星可以看到圆面,如参宿四,其实这只是误解。实际上迄今为止,并没有直接看到圆面的恒星,有几颗距离近又十分巨大的恒星,只是通过干涉测量法间接测算出来直径而已。

科学家们正在研制更精密更高观测能力的望远镜,如NASA规划的 LUVOIR 望远镜(口径 15~40 m),衍射极限可低至 0.001~0.003 角秒,到时候有望直接成像出参宿四、心宿二等红超巨星的模糊圆面,让我们期待。
结论:除了太阳,没有任何恒星达到冥王星的视直径。迄今为止,除太阳以外的恒星,即便采用最高级的空间天文望远镜观测,都无法直接看到其轮廓或圆面,只是一个模糊亮点而已。不过通过光谱和光变以及引力摄动等数据分析,科学家们可以测算出恒星的质量、距离、元素构成、是否拥有行星等。
时空通讯原创文章,欢迎讨论,感谢阅读。