天文學(xué)上的天狼星

老貓

天狼星，或許是夜空中最重量級的大明星了，說無人不知無人不曉都毫不為過。但在我們開始考慮談?wù)撍妮W事前，或許最重要的還是先找到它。

找到天狼星

是不是因為它是夜空中最亮的恒星，我們就可以輕易找到它呢？的確，天狼星的視星等高達-1.4 6等，亮度是視星等-0.0 4的北天第二亮星大角星的3.7倍左右，但是在夜空中明亮的可不只是恒星。金星在最亮?xí)r可以達到-4.8 9等，木星最亮?xí)r可達-2.9 4等，火星最亮?xí)r可達-2.9 1等，就連水星最亮的時候都能達到-2.4 5等。

這些明亮的行星當(dāng)然會干擾我們找到天狼星。不過天狼星畢竟是恒星，和行星在天空中的運行軌跡有很大的區(qū)別。雖然所有恒星都和日月一樣?xùn)|升西落，但恒星與恒星之間相對靜止。也就是說，如果我們看到幾顆星星在天上組成一個特殊的形狀，再過十天半個月、一年兩年，甚至幾十年幾百年，這幾顆星組成的形狀都不會有明顯的變化，那它們就是恒星。

正因為這種相對穩(wěn)定性，讓我們根據(jù)某些恒星組成的特殊形狀來尋找星座成為可能，冬季大三角正是天空中最典型的標(biāo)志之一。從暮秋到初春，三顆亮星組成的巨大等邊三角形會出現(xiàn)在夜空中，因此十分好認。除天狼星外，三角形的另外兩個頂點是小犬座的南河三和獵戶座的參宿四。天狼星所在的星座是大犬座，它是每年最早通過上中天的星座（所謂星座“通過上中天”，是指星座的中央位置通過正南正北的當(dāng)?shù)刈游缛Γ?。大犬座并不大，在天球上所占的面積為3 8 0.1 1平方度，在全天6 4個星座中排第4 3位。星座內(nèi)有1等星1顆，2等星4顆，列入全天2 0 0顆亮星的恒星多達7顆，算是非常明亮的一個星座了。只是因為大犬座位置偏南，如果觀察點在中國北方的話，星辰的光芒容易被地平線附近渾濁的空氣吞噬。

天狼星到底有多亮？

1 7 1 8年，英國天文學(xué)家愛德蒙·哈雷驚訝地發(fā)現(xiàn)，他在南大西洋圣赫勒拿島測量的恒星坐標(biāo)結(jié)果與古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯測量的不一樣，個別恒星的觀察數(shù)值還相差很多。要知道，雖然喜帕恰斯生于2 0 0 0多年前，他的測量結(jié)果可是相當(dāng)精確的。

為什么天狼星、大角星、畢宿五這些亮星的誤差那么大？天狼星的誤差足足有月亮直徑那么大！哈雷花了很多時間將他的結(jié)果與其他星表做了對比，最終得出一個驚人的結(jié)論：恒星不恒！

1 8 6 8年，光譜學(xué)先驅(qū)、英國天文學(xué)家威廉· 哈金斯爵士發(fā)現(xiàn)天狼星的光譜有一個顯著的紅移。顯然，這樣的紅移是因為多普勒現(xiàn)象，這說明天狼星在星圖上努力地“奔跑”，在我們看不見的坐標(biāo)上飛速遠離我們?，F(xiàn)在我們知道，天狼星正以每秒7.6千米的速度遠離我們，雖然這比哈金斯爵士當(dāng)年的計算值（每秒4 0千米）小很多，但也相當(dāng)可觀了。

別管天狼星每年遠離我們多少，天狼星到底距離我們多遠？答案是8.6光年。這真不是一個遠的距離，要知道，它是距離我們第9近的恒星，而一顆“三體星”南門二就占據(jù)了天狼星之前的3個名額。

我不否認天狼星很亮，但是僅憑視星等-1.4 6等，就認為距離我們8.6光年的天狼星比距離我們860光年、視星等0.12等的參宿七亮，總有些不太公平。為了公平起見，天文學(xué)家決定讓恒星排排坐，都固定在距離我們1 0秒差距，約合3 2.6光年的地方，再評定它們的視星等——在這個距離上，它們展現(xiàn)出的視星等就能表現(xiàn)它們真正的亮度了。此時觀察到的星等被定義為“絕對星等”。當(dāng)然，天文學(xué)家不會真的飛去距離太陽3 0多光年的地方觀測太陽的絕對星等，只要根據(jù)太陽與地球的距離以及太陽在地球上的亮度，就能推算出這個數(shù)值。經(jīng)過計算，太陽的絕對星等是4.8 3，天狼星是1.4 2，北極星是-3.6，參宿七是-7.8 4。在肉眼可見的恒星中，絕對星等最高的可能是天津增九，這顆視星等4.8 0、看上去暗淡無奇的恒星絕對星等可能高達-9. 7。位于大麥哲倫星系蜘蛛星云中的R1 3 6a1是我們已知的絕對星等最高的恒星，這顆距離我們1 6 5 0 0 0光年、視星等1 2.2 8的藍特超巨星，絕對星等高達-1 2.6。是的，盡管看上去光彩奪目，天狼星其實也沒有特別亮（只是比太陽亮很多而已）。

天狼星的“小”伙伴

1 8 4 4年，德國天文學(xué)家弗里德里?！へ惾麪柛鶕?jù)天狼星在天球上詭異的運行路線做出一個驚人的推斷：天狼星應(yīng)該還有一顆伴星，這顆伴星與天狼星的距離是地球到太陽距離的2 0倍，正好與太陽到天王星的距離不相上下。

可惜貝塞爾沒能活到他的推測被天文觀測證實。直到這一推斷做出2 0年后，美國天文學(xué)家阿凡·格雷厄姆·克拉克才首次觀測到這顆暗弱的伴星。如今，這顆視星等8.3 0的小星被稱為“天狼星B”，以與明亮的“天狼星A” ——也就是我們?nèi)庋鬯姷哪穷w——加以區(qū)分。

1 9 1 5年，沃爾特·亞當(dāng)斯宣布，他觀測了天狼星B 的光譜學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它的光譜與天狼星A的幾乎一致。這樣的結(jié)果表明，二者的表面溫度相似，單位面積釋放光能的能力相同，所以導(dǎo)致二者亮度差別的唯一因素，就只剩下恒星的表面積了。天狼星A和天狼星B的亮度相差萬倍，由此可以算出天狼星B 甚至還沒有地球大；但是要讓質(zhì)量為太陽2.0 2倍的天狼星A 在天球上走出如此彎曲的軌道，天狼星B 的質(zhì)量至少得有太陽質(zhì)量的0.9 7 8倍才行。

太陽的質(zhì)量、地球的大小，這樣的數(shù)據(jù)難免讓人心生疑問，不過觀測和計算數(shù)據(jù)都沒有問題。在天狼星B 的這一特征被發(fā)現(xiàn)的幾年前，人們已經(jīng)注意到波江座4 0內(nèi)有一顆與之類似的暗淡小恒星。而在2年后的1 9 1 7年，荷裔美國天文學(xué)家阿德里安· 范馬南又在雙魚座內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一顆獨立的致密暗淡小恒星。因為小，又散發(fā)著白光，這種恒星被稱為白矮星。這3顆最早發(fā)現(xiàn)的白矮星被稱為經(jīng)典白矮星。

白矮星是低質(zhì)量恒星演化的最終結(jié)果。中低質(zhì)量的恒星在主序星階段燃燒的是其核心的氫。在其生命末期，核心的氫聚變反應(yīng)結(jié)束后，氦核將在重力的作用下繼續(xù)在核心發(fā)生聚變，三個氦原子結(jié)合成一個穩(wěn)定的碳原子。當(dāng)然，碳原子有時也會繼續(xù)與氦反應(yīng)，形成少量的氧、氖，乃至更重的鎂。endprint

因為氦核的聚合并不額外放出能量，因此這個核心會在重力的作用下發(fā)生收縮放出熱量。此時，恒星表層的氫元素也會隨同核心收縮并獲得加熱，氫原子聚變的速度大幅提高，于是產(chǎn)生更多的能量，導(dǎo)致恒星變得更為明亮，體積也發(fā)生劇烈膨脹。但處在這個階段的恒星膨脹速度超過發(fā)光能力的提升，恒星的表面溫度會降低，這時恒星的顏色更傾向紅色——這個演化階段的恒星因其外形特征，被稱為紅巨星。紅巨星的壽命并不太長，如果本身質(zhì)量不夠，不足以使碳和氧進一步發(fā)生核聚變，這兩種元素就會在其核心堆積起來，外層氣體逐漸逸散，只留下致密的核心部分殘骸，并最終成為白矮星。

白矮星的內(nèi)部不再有物質(zhì)進行核聚變反應(yīng)，不再有能量產(chǎn)生，支撐重力坍縮的只有由泡利不相容原理產(chǎn)生的電子簡并力。物質(zhì)被壓縮到了極致，就差把電子“壓”入質(zhì)子，形成更加致密的中子態(tài)了。因此，雖然稍遜于中子星，但白矮星物質(zhì)依然具有極大的密度，它們的平均密度的數(shù)量級大約是噸/ 立方厘米，是地球物質(zhì)密度的百萬倍。

因為天狼星的軌道太過不規(guī)則，因此人們很早就懷疑它還有第三顆很小的伴星。根據(jù)計算得到的數(shù)據(jù)，第二顆圍繞天狼星A 運行的恒星質(zhì)量只有太陽的6%，亮度比天狼星B 還要暗5級至1 0級，圍繞天狼星A公轉(zhuǎn)的周期為6年。直到今天，這個假說還沒能被證實，原因可能是它太暗了，也有可能是其距離天狼星A 太近。

赤犬還是蒼狼？

有關(guān)天狼星，還有一個關(guān)注度很高的爭議，那就是天狼星的顏色。公元1 5 0年，生活于埃及亞歷山大港的著名古希臘天文學(xué)家克勞狄烏斯· 托勒密曾將天狼星與參宿四、心宿二、畢宿五、北河三一起記述為具橘黃色或紅色色調(diào)的天體。托勒密的記述似乎代表了當(dāng)時各階層的主流思想，將軍日耳曼尼庫斯、演說家西塞羅、詩人阿拉托斯都認為天狼星是紅色的，哲學(xué)家塞內(nèi)卡甚至認為天狼星是暗紅色的，比火星更甚。

這與如今天狼星看上去是白色的這一事實不符。

1 9 8 5年，兩位德國天文學(xué)家找到了一份公元8世紀的倫巴第手稿，這份拉丁文的文稿教讀者從星辰的位置確定夜禱的時刻。在這部文稿中，天狼星的顏色被描述為“呈現(xiàn)彌散的“紅色”。據(jù)此，這兩位天文學(xué)家提出天狼星B 當(dāng)時是顆紅巨星的說法。

且不說其他的天文學(xué)家普遍認為這里描述的應(yīng)該是大角星，根據(jù)恒星演化理論，一兩千年的時間遠不足以讓一顆恒星完成從紅巨星到白矮星的蛻變。更重要的是，通過對周圍星云的分析，天狼星并沒有留下任何在近期曾發(fā)生劇烈變化的痕跡，通過天狼星A 或天狼星B恒星演化的可能性來解釋顏色爭議的理論已被推翻。

剩下的可能就是一些主觀因素了，例如它在地平線附近時強烈的閃爍使人們感覺它是紅色的，或者只是因為修辭需要，畢竟天狼星在詩詞里的一個重要身份是隱喻兇兆。生活在公元1世紀的羅馬詩人、天文學(xué)家馬庫斯· 馬尼利烏斯把天狼星的顏色描述為“海藍”，生活在4世紀的拉丁語詩人阿維阿努斯對它的描述也是這樣。因為大氣的擾動，明亮的恒星，例如天狼星，很容易發(fā)生閃爍，尤其是在它距離地平線不遠的時候。在這種情況下，用肉眼觀察它會發(fā)現(xiàn)紅色、白色、藍色交替呈現(xiàn)——古人也有可能因此賦予了天狼星更多色彩。

在記錄天狼星顏色這方面，似乎還是古代中國人做得更靠譜一些——從公元前2世紀至公元7世紀，多次天文記錄中都將天狼星描述為呈現(xiàn)著白色光芒的天體。endprint