恒星的亮度會(huì)變化嗎

■ 顏士州

晴朗無(wú)月的夜晚，滿天繁星散發(fā)著燦爛的光輝，給夜空增添了無(wú)限的美感。星光會(huì)變化嗎？星星的亮度永遠(yuǎn)不變嗎？說(shuō)也奇怪，在長(zhǎng)達(dá)幾十世紀(jì)的歲月里，沒(méi)有哪個(gè)人想到過(guò)這些綴滿天穹的星星會(huì)有亮度變化。

人類明確認(rèn)識(shí)到星的亮度會(huì)變化，是在1596年。那一年8月，德國(guó)一位叫法布里修斯的牧師偶然注意到在鯨魚(yú)座有一顆2等星。法布里修斯是位業(yè)余天文學(xué)家，對(duì)星空比較熟悉，在他的印象里，星空的這個(gè)位置好像沒(méi)有這顆亮星。他找來(lái)星圖、星表查看，也沒(méi)有找到關(guān)于這顆星的記載。于是，法布里修斯開(kāi)始注意觀察這顆亮星。令人想不到的是，2個(gè)月后這顆星變得看不見(jiàn)了。

十幾年后的1619年2月，德國(guó)天文學(xué)家巴耶爾在鯨魚(yú)座里也看到一顆過(guò)去未曾看見(jiàn)的3等星，他把這顆星命名為鯨魚(yú)座。過(guò)了幾個(gè)月，這顆星也變得看不見(jiàn)了。后來(lái)人們才確定，法布里修斯和巴耶爾看到的是同一顆星。在當(dāng)時(shí)人看來(lái)，一顆星的亮度在短期內(nèi)竟有這么大的變化，實(shí)在是不可思議的事。波蘭天文學(xué)家赫維留斯干脆把這顆星叫做“米拉”，意思是“奇怪莫測(cè)”（中國(guó)把這顆星叫做芻藁增二）。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)它的亮度變化是周期性的，亮度最大時(shí)達(dá)到2等，最小時(shí)可暗到10等，平均周期為332天。人們把亮度在短期內(nèi)有變化的星統(tǒng)稱為變星，像鯨魚(yú)座這樣周期長(zhǎng)的變星叫做長(zhǎng)周期變星。長(zhǎng)周期變星是已知數(shù)目最多的一類變星，幾乎每個(gè)星座中最早發(fā)現(xiàn)的變星都屬于長(zhǎng)周期變星。比較著名的、最亮?xí)r可用肉眼看見(jiàn)的長(zhǎng)周期變星有獵戶座U、獅子座η、盾牌座R、天鵝座R、仙后座R等。

英仙座β是另一類變星，中國(guó)把這顆星叫做大陵五，古代阿拉伯人把它稱為“阿爾戈?duì)枴保ㄒ馑际恰白兓媚獪y(cè)的神靈”）。據(jù)推測(cè)，古代阿拉伯人可能早就注意到它的亮度變化了。1782年11月12日，一位英國(guó)的聾啞青年古德利克觀測(cè)到英仙座β的亮度漸漸暗下去了。當(dāng)它的亮度下降到正常亮度的1/3時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它又重新亮了起來(lái)，逐漸恢復(fù)到原來(lái)的亮度。古德利克發(fā)現(xiàn)大陵五的亮度每隔2天20小時(shí)49分便周期性地變暗一次，最亮?xí)r亮度達(dá)2.13等，最暗時(shí)為3.40等。他所測(cè)定的變光周期和現(xiàn)代測(cè)定的精確值僅相差4.6秒。1783年5月，古德利克把自己的發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文《關(guān)于魔星光變周期的觀測(cè)和發(fā)現(xiàn)》，并將論文送到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，當(dāng)時(shí)他年僅19歲。不但如此，古德利克還正確地解釋了魔星變光的原因，他認(rèn)為這是一對(duì)大小、光度不同的兩顆星，在互相繞轉(zhuǎn)的過(guò)程中，彼此遮擋而使星光亮度發(fā)生變化。當(dāng)大而暗的伴星遮住小而明亮的主星時(shí)，大陵五的亮度便下降了，遮擋過(guò)程結(jié)束，大陵五便又恢復(fù)原來(lái)的亮度。人們把類似大陵五這樣的因兩星互相遮擋而使亮度發(fā)生變化的變星叫做食變星。

接著，古德利克于1784年又發(fā)現(xiàn)仙王座δ（造父一）也是一顆變星。它的變光周期為12.91天，亮度極大時(shí)達(dá)到3.4等，最暗時(shí)為4.3等。為什么造父一的亮度會(huì)有周期性變化呢？是不是在它附近也有顆伴星在互相繞轉(zhuǎn)而使星光發(fā)生變化呢？1894年，俄國(guó)天文學(xué)家貝洛玻爾斯基觀測(cè)了造父一的光譜，發(fā)現(xiàn)光譜線有周期性的位移，這似乎表明造父一在空間做某種圓周運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)時(shí)有些人就猜想，仙王座δ也是顆食變星。20年后，美國(guó)天文學(xué)家夏普萊重新研究了這顆星的亮度變化和光譜變化，又考察了它的半徑和表面溫度隨時(shí)間的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光譜線向紅端位移時(shí)，恒星體積收縮，表面溫度增高，亮度增大；當(dāng)光譜線向紫端位移時(shí)，恒星的體積膨脹，表面溫度下降，恒星的亮度減小。原來(lái)，造父一是顆本身隨時(shí)間周期性不斷收縮、膨脹著的恒星。這種運(yùn)動(dòng)像是心臟的脈動(dòng)一樣，因此，人們把仙王座δ星叫脈動(dòng)變星。許多變星都屬于脈動(dòng)變星，有的和造父一類似，變光周期在一天到幾十天內(nèi)，被稱為造父型變星。在天琴座發(fā)現(xiàn)的一顆脈動(dòng)變星叫天琴座RR，它的變光周期在0.5天左右。和天琴座RR星類似的、光變周期在0.05天～1.5天內(nèi)的脈動(dòng)變星，稱為短周期造父變星或者叫天琴座RR型脈動(dòng)變星。

造父型變星有種很特殊的屬性，稱為周期—光度關(guān)系，簡(jiǎn)稱周光關(guān)系。造父型變星有的亮、有的暗，有的視星等大些，有的視星等小些，有的光變周期長(zhǎng)些，有的光變周期短些。它們的變光周期和視星等之間有沒(méi)有什么規(guī)律呢？美國(guó)女天文學(xué)家勒維特深入研究了小麥哲倫星云中的25顆造父型變星，一一記錄下它們的視星等和變光周期。勒維特發(fā)現(xiàn)，光變周期越長(zhǎng)的變星視星等也越大，非常有規(guī)律，并畫(huà)出了造父型變星的光變周期和視星等的不同的關(guān)系曲線。這樣一來(lái)，造父型變星視星等的不同實(shí)際上是它們光度不同的反映。也就是說(shuō)，造父型變星的周期和視星等的關(guān)系實(shí)際上反映出它們的周期和光度的關(guān)系。勒維特把視星等換算成絕對(duì)星等，得出了一個(gè)重要的規(guī)律——周光關(guān)系。如果我們測(cè)定出某顆造父型變星的周期，就可根據(jù)這一關(guān)系求出該星的光度，并由光度和視星等進(jìn)一步測(cè)定出距離。因此，造父型變星被稱為“量天尺”，根據(jù)它測(cè)定出的距離稱為造父視差。