恒星的運(yùn)動(dòng)

葉飛

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，古人制造出一種類似現(xiàn)代赤道坐標(biāo)儀的儀器來(lái)測(cè)量恒星的位置，研究恒星的運(yùn)動(dòng)。西漢時(shí)期，落下閎發(fā)明了渾儀，以此來(lái)測(cè)量天體的位置。在西方，托勒密與哈雷等人在堅(jiān)持不懈地對(duì)恒星進(jìn)行了大量觀測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)天狼星、南河三和大角星等恒星的位置相較之前都有了明顯的變化。

視向速度、切向速度示意圖

我們觀測(cè)到的恒星運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是恒星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，比如我們先觀測(cè)記錄恒星在夜空中的位置，然后過(guò)一個(gè)小時(shí)再觀測(cè)一次，那么除了北極星，我們會(huì)看到夜空中其他恒星都變了位置。這樣的變化是地球自轉(zhuǎn)造成的，地球自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)使得恒星看起來(lái)像是自東向西運(yùn)動(dòng)一般。如果除去地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，恒星相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)就被稱為“恒星的空間運(yùn)動(dòng)”。

既然確定恒星在空間中運(yùn)動(dòng)，那么它的運(yùn)動(dòng)速度是多少呢？恒星的空間運(yùn)動(dòng)速度可分為切向速度分量和視向速度分量。恒星垂直于視線方向上的速度被稱為切向速度，朝向視線方向的速度則被稱為視向速度。恒星的視向速度可以根據(jù)恒星光譜中譜線的多普勒位移測(cè)得。

由著名的奧地利物理學(xué)家多普勒提出的多普勒效應(yīng)指出：波在波源移向觀測(cè)者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀測(cè)者時(shí)頻率變低，這種位移現(xiàn)象就被稱為多普勒位移。多普勒效應(yīng)不僅可以應(yīng)用在天文學(xué)上，它還被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和日常生活等諸多方面。

多普勒效應(yīng)示意圖

1842年，多普勒路過(guò)鐵路交叉口時(shí)，一列火車從他身旁飛馳而過(guò)。他注意到一個(gè)日常生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，即火車由遠(yuǎn)及近行駛時(shí)，汽笛聲會(huì)隨之逐漸變響，音調(diào)變高;而火車駛離時(shí)，汽笛聲則由強(qiáng)變?nèi)酰粽{(diào)變低。他對(duì)這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的興趣，立即回家研究起來(lái)。很快，他便發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是振源與觀測(cè)者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)者聽(tīng)到的聲音頻率不同于振源頻率，也就是所謂的頻移現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)會(huì)增加，音調(diào)變得低沉;當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)則減小，音調(diào)就變高了。

藍(lán)移、紅移示意圖

不只聲波，具有波動(dòng)性的光也同樣會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。當(dāng)時(shí)多普勒提出這一理論主要是為了解釋雙星的子星和變星的顏色、大小問(wèn)題，因?yàn)樗嘈胚@些參數(shù)無(wú)一例外都會(huì)受天體沿視線方向運(yùn)動(dòng)的影響。具體來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)發(fā)光物體的運(yùn)動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致光的顏色和頻率的變化——如果它在靠近，光的頻率就在增加，顏色會(huì)從白變綠，再變藍(lán)，最后變成紫色，在這個(gè)過(guò)程中，恒星的光譜線波長(zhǎng)變短，這樣的現(xiàn)象被稱作“藍(lán)移”;如果它遠(yuǎn)去，光的頻率則會(huì)減弱，顏色會(huì)從白變黃，再變橙，最終變成紅色，所以有些天體呈紅色，是因?yàn)樗鼈冋x我們遠(yuǎn)去，在它遠(yuǎn)離的過(guò)程中，光波會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，這個(gè)現(xiàn)象就被稱為“紅移”。所以，紅移或藍(lán)移現(xiàn)象準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)并不是指顏色變紅或變藍(lán)，而是指光線頻率的改變。如果發(fā)光物體本身已經(jīng)具備了某種顏色，那么它的變色就會(huì)從本身顏色開(kāi)始，如黃色物體的變色過(guò)程就是由黃變橙，最終變成紅色。

當(dāng)然，我們不能說(shuō)只要是發(fā)紅光的星星都是離我們遠(yuǎn)去的。恒星之所以有不同的顏色，還取決于它的表面溫度，或者說(shuō)不同恒星有不同的光譜型號(hào)。多普勒效應(yīng)不會(huì)影響恒星本身的顏色。

多普勒

最早利用多普勒效應(yīng)測(cè)得恒星視向速度的人是英國(guó)天文學(xué)家哈根斯，他在1868年測(cè)出天狼星某一波長(zhǎng)的譜線向紅光方向移動(dòng)，從而推算出天狼星正以大約每秒47千米的速度離我們而去。這也是人們第一次利用光的多普勒效應(yīng)測(cè)出恒星的視向速度。

在哈根斯之后，美國(guó)天文學(xué)家莫里于1889年拍攝了大熊座ζ星的光譜。這顆星星的中文名字叫作開(kāi)陽(yáng)星，是北斗七星中的第六顆星。這顆星實(shí)際上是一顆目視雙星，較亮的那顆被稱為開(kāi)陽(yáng)A星，較暗的那顆被稱為“輔”。莫里發(fā)現(xiàn)開(kāi)陽(yáng)星的光譜譜線是雙重的，并且雙重譜線會(huì)周期性地分開(kāi)、靠近、交疊、再分開(kāi)……于是，他推測(cè)開(kāi)陽(yáng)星是一個(gè)雙星系統(tǒng)，它們?cè)谙嗷ダ@轉(zhuǎn)，而光譜譜線交替出現(xiàn)紅移和藍(lán)移現(xiàn)象，是因?yàn)樗鼈冊(cè)诮惶娴亟咏蜻h(yuǎn)離我們。

開(kāi)陽(yáng)雙星

在對(duì)恒星光譜的研究中，產(chǎn)生了眾多光譜學(xué)家，德國(guó)光譜學(xué)家沃格爾和美國(guó)光譜學(xué)家皮克林通過(guò)對(duì)比一些恒星光譜中的暗線位置，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：譜線在周期性地?fù)u擺。他們能想到的唯一解釋就是這種恒星與另一顆離它很近的天體在相互繞轉(zhuǎn)。

在浩瀚的銀河系中，像上述提到的“雙星”非常多，雙星的顏色也是豐富多彩的，它們的存在為我們揭示了恒星世界的一些奧秘。然而，在對(duì)雙星顏色的研究上，多普勒效應(yīng)發(fā)揮了巨大的作用。

哈根斯

在這些天體的運(yùn)動(dòng)中，我們可以通過(guò)多普勒效應(yīng)探知它們運(yùn)動(dòng)的概況，比如速度和距離。1891年，沃格爾將金星光譜中的譜線位移和金星已知軌道做比較，從反射光的天體確定了多普勒效應(yīng)的正確性。此后，多普勒效應(yīng)很快便被應(yīng)用到星體運(yùn)動(dòng)的研究中，比如雙星在相互繞轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不斷變化的藍(lán)移或紅移。

太陽(yáng)距離銀河系中心約有2萬(wàn)光年，它帶領(lǐng)著太陽(yáng)系大家族繞著銀河中心做圓軌道運(yùn)動(dòng)，周期大約為2.5億年。不僅如此，銀河系內(nèi)的其他恒星也與太陽(yáng)一樣，一邊繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊進(jìn)行自己固有的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)正在以每秒19.7千米的速度，朝武仙座緩慢移動(dòng)。不過(guò)不用擔(dān)心，恒星之間的距離非常遙遠(yuǎn)，所以不管它們?cè)趺磩?dòng)，碰撞的可能性都很小。

我們看到，宇宙萬(wàn)物既神秘，又遵循著一定的規(guī)則。衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)，行星繞著恒星轉(zhuǎn)，恒星繞著星系中心轉(zhuǎn)，那星系繞著什么轉(zhuǎn)呢？帶著這個(gè)未知，大家一起來(lái)探索吧！

恒星運(yùn)動(dòng)軌跡