神秘變星背后的天文學(xué)家

葉飛

每當(dāng)我們仰望星空的時(shí)候，一眼望去，天上的星星好像都長(zhǎng)得差不多，每顆都在“一閃一閃亮晶晶?！痹谏勘葋喌拿鳌稅鹑龃蟮邸分校瑒≈腥宋飷鹑龃蟮墼呗曊f(shuō)道：“我像北方之星一樣永遠(yuǎn)不變。如果我們?cè)谘鐾强諘r(shí)也認(rèn)為北方之星永恒不變，那么我們就和莎士比亞犯了同樣的錯(cuò)誤。

北極星的亮度并非永遠(yuǎn)不變，夜空中的星星也并非永遠(yuǎn)一副模樣。大多數(shù)恒星的亮度的確比較穩(wěn)定，但也有一些恒星會(huì)在亮度上做些文章，讓人捉摸不透。這類(lèi)恒星在天文學(xué)上就被稱為“變星”。若你沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些恒星的亮度變化，一方面可能是因?yàn)橛^察得不夠仔細(xì)，另一方面也可能是肉眼的觀測(cè)能力有限。不過(guò)，古往今來(lái)很多天文學(xué)家觀測(cè)并記錄下了變星的亮度變化規(guī)律，為我們解開(kāi)了一個(gè)又一個(gè)謎團(tuán)，讓我們得以窺見(jiàn)宇宙的絢爛，感受宇宙的奇妙。

大陵型變星

1592年，大衛(wèi)·法巴雷克斯發(fā)現(xiàn)鯨魚(yú)座。星有周期性的消失現(xiàn)象，這顆恒星后來(lái)被命名為米拉，在拉丁文中即有“不可思議的恒星”之意。在米拉之后，蒙坦雷在1669年發(fā)現(xiàn)了英仙座β星，這顆星又稱Algol，意思即是“眨眼的妖魔”;它還有一個(gè)中文名叫作大陵五，因?yàn)楣湃税阉醋髁昴怪虚W動(dòng)的鬼火。英仙座的大陵五在星空中閃閃發(fā)光，而且亮度一直在變化，這令當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家深感困惑，直到一位名叫古德里克的人注意到它。

鯨魚(yú)座

18世紀(jì)，約翰·古德里克出生于荷蘭，由于他是一位聾啞人，所以只能在英國(guó)愛(ài)丁堡的聾啞兒童學(xué)校學(xué)習(xí)。古德里克十幾歲時(shí)，對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，他的父母十分理解并支持他發(fā)展天文學(xué)方面的愛(ài)好，于是古德里克轉(zhuǎn)入沃靈頓學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)，并通過(guò)學(xué)習(xí)逐漸展現(xiàn)出自己在天文學(xué)方面的天賦。

古德里克

古德里克十分喜歡仰望星空，看著閃爍的繁星，一個(gè)人享受這份寂靜。又或許是因?yàn)槊@啞的緣故，上天給了他出色的視覺(jué)，古德里克對(duì)明暗的光感遠(yuǎn)超常人。別人觀察不到的極暗淡的星，或者雖明亮但亮度變化幅度極其微小的星，全都難逃他的雙眼。在夜空中閃爍的大陵五就這樣進(jìn)入了古德里克的視野，它不斷變化的亮度引起了古德里克的注意，他決定解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。要做到這件事并不容易，首先需要觀測(cè)者有極強(qiáng)的耐力，能夠每天不厭其煩地、長(zhǎng)時(shí)間地觀測(cè)星空，除此之外還要足夠細(xì)心，才能對(duì)細(xì)微的變化有所察覺(jué)。

通過(guò)幾個(gè)月的仔細(xì)研究和詳細(xì)記錄，古德里克相信大陵五的亮度變化遵循著一個(gè)固定的周期。在經(jīng)過(guò)更多的研究和對(duì)比記錄后，他發(fā)現(xiàn)大陵五的變化周期正好是3天。而古德里克對(duì)大陵五的研究沒(méi)有止步于此，他還嘗試回答大陵五的亮度為什么會(huì)有這樣的變化。他認(rèn)為大陵五的表面有黑斑，可能是因?yàn)樗磉呥€存在一顆我們看不見(jiàn)的伴星在圍繞著它旋轉(zhuǎn)，大陵五與這顆伴星組成了雙星系統(tǒng)。這顆伴星周期性地阻擋了大陵五原本發(fā)出的光芒。提出這個(gè)大膽假說(shuō)的古德里克當(dāng)時(shí)只有17歲，并且只是個(gè)業(yè)余的天文學(xué)愛(ài)好者。很久以后，古德里克這個(gè)有關(guān)大陵五的假設(shè)得到了證實(shí)。他的論文最終獲得英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)科普利獎(jiǎng)?wù)?，并?dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

大陵五的神秘面紗被揭開(kāi)，使人們了解了宇宙中存在的一類(lèi)特殊群體——變星。而在現(xiàn)今已知的眾多變星中，像大陵五這類(lèi)雙星系統(tǒng)的變星還有很多，不過(guò)由于大陵五是其中的典型，所以后發(fā)現(xiàn)的這類(lèi)變星都被稱作“大陵型變星”。

英仙座中的大陵五

造父變星

1784年10月，古德里克又把目光投向了仙王座δ，這顆星又稱“造父一”。他發(fā)現(xiàn)造父一與大陵五是不同類(lèi)型的變星，造父一的亮度變化并不是被其他伴星影響造成的，而是它本身亮度的變化。不過(guò)很可惜，這位年輕人還沒(méi)來(lái)得及對(duì)造父一進(jìn)行深入研究，他的生命就終結(jié)在22歲了。

正是古德里克發(fā)現(xiàn)了造父一的光變現(xiàn)象，之后自身光亮不斷變化的恒星便被統(tǒng)稱為“造父變星”。我們最熟悉的北極星也是一顆造父變星。造父變星身上又有什么樣的秘密呢？

由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的船尾座RS造父變星

造父變星的光亮變化是有規(guī)律的，不同的造父變星也有不同的光變周期。造父一的光變周期就是5天8小時(shí)47分28秒，而與它同一年被發(fā)現(xiàn)的天鷹座η的光變周期則是7.2天。古德里克雖然無(wú)緣完成對(duì)造父變星的研究，但是在他之后，造父變星的神秘光變現(xiàn)象引起了諸多天文學(xué)家的關(guān)注，他們?cè)趯?duì)造父變星的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了驚天秘密。

最早發(fā)現(xiàn)造父變星的光變周期與其亮度有關(guān)的人是哈佛大學(xué)的天文學(xué)家亨麗愛(ài)塔·勒維特。無(wú)獨(dú)有偶，她也是一位聾啞人，對(duì)光線也同樣敏感。勒維特1868年出生于美國(guó)馬薩諸塞州的蘭開(kāi)斯特，1893年，哈佛大學(xué)的天文臺(tái)招募了一批聾啞女性，請(qǐng)她們對(duì)天文臺(tái)所拍攝的照片底片進(jìn)行整理和分類(lèi)，勒維特就是其中一員。在這樣的工作中，勒維特通過(guò)觀察小麥哲倫星云內(nèi)的25顆造父變星，發(fā)現(xiàn)造父變星的光變周期越長(zhǎng)，亮度變化就越大。1921年，勒維特主持了哈佛大學(xué)天文臺(tái)的恒星測(cè)光工作，但與古德里克相似的命運(yùn)再次上演——這一年勒維特因癌癥去世。

勒維特

勒維特的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到光變周期與視星等的關(guān)系其實(shí)可以認(rèn)為是光變周期與絕對(duì)星等的關(guān)系。所謂絕對(duì)星等，是天體真實(shí)的發(fā)光能力。舉個(gè)例子，月球看上去比北極星要亮，是因?yàn)樵虑虮旧戆l(fā)光的能力強(qiáng)嗎？我們?nèi)庋劭吹降脑虑蛄炼绕鋵?shí)是視星等，早在很久之前天文學(xué)家就知道天體的可視亮度并不等于天體的真實(shí)亮度。月球比北極星亮最為主要的原因是月球較北極星距離我們更近。小麥哲倫星云距離地球很遙遠(yuǎn)，我們可以這樣認(rèn)為，在小麥哲倫星云內(nèi)的這25顆造父變星到地球的距離是一樣的，因此這25顆造父變星因?yàn)橄司嚯x上的差異，它們的可視亮度就可以代表其實(shí)際亮度。勒維特將25顆造父變星的周期和亮度的變化數(shù)據(jù)畫(huà)成坐標(biāo)圖，她觀察到造父變星光變周期越長(zhǎng)，恒星的絕對(duì)亮度就越大;相反，其光變周期越短，絕對(duì)亮度就越小。在恒星的絕對(duì)星等中，數(shù)值越小，亮度越高，說(shuō)明恒星的發(fā)光能力越強(qiáng)。

小麥哲倫星系

造父變星測(cè)距法

了解了造父變星的光變周期后，天文學(xué)家可以將已知亮度和距離的變星當(dāng)作參考基準(zhǔn)，然后就可以據(jù)此推算出其他已知亮度的變星距離了。如此說(shuō)來(lái)，造父變星就像一把測(cè)量天體距離的尺子。

沙普利

接下來(lái)，我們就要標(biāo)定零點(diǎn)位置，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就像在秤桿上標(biāo)注起算點(diǎn)一樣。1915年，美國(guó)天文學(xué)家哈洛·沙普利成功解決了造父變星零點(diǎn)標(biāo)定的問(wèn)題，他對(duì)造父變星進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并利用造父變星對(duì)銀河系的形狀和大小進(jìn)行了估算。在他之前，人們大都認(rèn)為太陽(yáng)系位于銀河系中心，而沙普利經(jīng)過(guò)估算認(rèn)為太陽(yáng)系在銀河系的邊緣，銀河系中心其實(shí)位于人馬座方向。他的這些著名論斷對(duì)后人認(rèn)識(shí)和研究銀河系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

哈勃精密的距離測(cè)量

在對(duì)變星的研究和理論更新的過(guò)程中，另一位天才登場(chǎng)了。他就是美國(guó)著名天文學(xué)家愛(ài)德文·鮑威爾·哈勃。1923年10月4日，哈勃將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)仙女座星系，通過(guò)長(zhǎng)曝光他得到了一張底片，在這張底片上哈勃發(fā)現(xiàn)了新出現(xiàn)的斑點(diǎn)。在接下來(lái)的幾天中，斑點(diǎn)沒(méi)有消失，還多了兩個(gè)。哈勃猜想這三顆星或許是新星，并對(duì)它們進(jìn)行了研究，最終結(jié)果顯示有兩顆的確是新星，但還有一顆若隱若現(xiàn)的，很可能就是變星。根據(jù)造父變星的測(cè)距理論，通過(guò)仙女座星系中的這顆變星就可以算出仙女座星系與地球的距離。哈勃十分興奮地計(jì)算出這個(gè)距離約為90萬(wàn)光年。當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)知道銀河系的直徑約為10萬(wàn)光年，那么距離地球約90萬(wàn)光年的仙女座星系就是位于銀河系之外的星系。

銀河系外的星系因?yàn)榫嚯x我們很遠(yuǎn)，通常我們很難知道它們離地球和銀河系到底有多遠(yuǎn)。然而，有了造父變星測(cè)距法，我們想知道某個(gè)星系與地球的距離時(shí)，只要找到這顆星系中的一顆造父變星，測(cè)出它的光變周期，再計(jì)算它的距離，就能夠知道這個(gè)星系距離我們有多遠(yuǎn)了。聽(tīng)上去是不是很神奇？造父變星因其特殊的作用，一直被天文學(xué)家視為寵兒，還為它取名“量天尺”，天文學(xué)家對(duì)變星的研究也從未停止過(guò)。未來(lái)，造父變星還能創(chuàng)造什么樣的天文奇跡？讓我們拭目以待吧！

愛(ài)德文·鮑威爾·哈勃