神秘變星背后的天文學家

葉飛

每當我們仰望星空的時候，一眼望去，天上的星星好像都長得差不多，每顆都在“一閃一閃亮晶晶。”在莎士比亞的名作《愷撒大帝》中，劇中人物愷撒大帝曾高聲說道：“我像北方之星一樣永遠不變。如果我們在仰望星空時也認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誤。

北極星的亮度并非永遠不變，夜空中的星星也并非永遠一副模樣。大多數恒星的亮度的確比較穩定，但也有一些恒星會在亮度上做些文章，讓人捉摸不透。這類恒星在天文學上就被稱為“變星”。若你沒有發現這些恒星的亮度變化，一方面可能是因為觀察得不夠仔細，另一方面也可能是肉眼的觀測能力有限。不過，古往今來很多天文學家觀測并記錄下了變星的亮度變化規律，為我們解開了一個又一個謎團，讓我們得以窺見宇宙的絢爛，感受宇宙的奇妙。

大陵型變星

1592年，大衛·法巴雷克斯發現鯨魚座。星有周期性的消失現象，這顆恒星后來被命名為米拉，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年發現了英仙座β星，這顆星又稱Algol，意思即是“眨眼的妖魔”;它還有一個中文名叫作大陵五，因為古人把它看作陵墓中閃動的鬼火。英仙座的大陵五在星空中閃閃發光，而且亮度一直在變化，這令當時的天文學家深感困惑，直到一位名叫古德里克的人注意到它。

鯨魚座

18世紀，約翰·古德里克出生于荷蘭，由于他是一位聾啞人，所以只能在英國愛丁堡的聾啞兒童學校學習。古德里克十幾歲時，對天文學產生了濃厚的興趣，他的父母十分理解并支持他發展天文學方面的愛好，于是古德里克轉入沃靈頓學院繼續學習，并通過學習逐漸展現出自己在天文學方面的天賦。

古德里克

古德里克十分喜歡仰望星空，看著閃爍的繁星，一個人享受這份寂靜。又或許是因為聾啞的緣故，上天給了他出色的視覺，古德里克對明暗的光感遠超常人。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，他決定解開這個謎團。要做到這件事并不容易，首先需要觀測者有極強的耐力，能夠每天不厭其煩地、長時間地觀測星空，除此之外還要足夠細心，才能對細微的變化有所察覺。

通過幾個月的仔細研究和詳細記錄，古德里克相信大陵五的亮度變化遵循著一個固定的周期。在經過更多的研究和對比記錄后，他發現大陵五的變化周期正好是3天。而古德里克對大陵五的研究沒有止步于此，他還嘗試回答大陵五的亮度為什么會有這樣的變化。他認為大陵五的表面有黑斑，可能是因為它身邊還存在一顆我們看不見的伴星在圍繞著它旋轉，大陵五與這顆伴星組成了雙星系統。這顆伴星周期性地阻擋了大陵五原本發出的光芒。提出這個大膽假說的古德里克當時只有17歲，并且只是個業余的天文學愛好者。很久以后，古德里克這個有關大陵五的假設得到了證實。他的論文最終獲得英國皇家天文學會科普利獎章，并當選為皇家學會會員。

大陵五的神秘面紗被揭開，使人們了解了宇宙中存在的一類特殊群體——變星。而在現今已知的眾多變星中，像大陵五這類雙星系統的變星還有很多，不過由于大陵五是其中的典型，所以后發現的這類變星都被稱作“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”。他發現造父一與大陵五是不同類型的變星，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。不過很可惜，這位年輕人還沒來得及對造父一進行深入研究，他的生命就終結在22歲了。

正是古德里克發現了造父一的光變現象，之后自身光亮不斷變化的恒星便被統稱為“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？

由哈勃空間望遠鏡拍攝的船尾座RS造父變星

造父變星的光亮變化是有規律的，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47分28秒，而與它同一年被發現的天鷹座η的光變周期則是7.2天。古德里克雖然無緣完成對造父變星的研究，但是在他之后，造父變星的神秘光變現象引起了諸多天文學家的關注，他們在對造父變星的研究過程中發現了驚天秘密。

最早發現造父變星的光變周期與其亮度有關的人是哈佛大學的天文學家亨麗愛塔·勒維特。無獨有偶，她也是一位聾啞人，對光線也同樣敏感。勒維特1868年出生于美國馬薩諸塞州的蘭開斯特，1893年，哈佛大學的天文臺招募了一批聾啞女性，請她們對天文臺所拍攝的照片底片進行整理和分類，勒維特就是其中一員。在這樣的工作中，勒維特通過觀察小麥哲倫星云內的25顆造父變星，發現造父變星的光變周期越長，亮度變化就越大。1921年，勒維特主持了哈佛大學天文臺的恒星測光工作，但與古德里克相似的命運再次上演——這一年勒維特因癌癥去世。

勒維特

勒維特的發現使人們認識到光變周期與視星等的關系其實可以認為是光變周期與絕對星等的關系。所謂絕對星等，是天體真實的發光能力。舉個例子，月球看上去比北極星要亮，是因為月球本身發光的能力強嗎？我們肉眼看到的月球亮度其實是視星等，早在很久之前天文學家就知道天體的可視亮度并不等于天體的真實亮度。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，我們可以這樣認為，在小麥哲倫星云內的這25顆造父變星到地球的距離是一樣的，因此這25顆造父變星因為消除了距離上的差異，它們的可視亮度就可以代表其實際亮度。勒維特將25顆造父變星的周期和亮度的變化數據畫成坐標圖，她觀察到造父變星光變周期越長，恒星的絕對亮度就越大;相反，其光變周期越短，絕對亮度就越小。在恒星的絕對星等中，數值越小，亮度越高，說明恒星的發光能力越強。

小麥哲倫星系

造父變星測距法

了解了造父變星的光變周期后，天文學家可以將已知亮度和距離的變星當作參考基準，然后就可以據此推算出其他已知亮度的變星距離了。如此說來，造父變星就像一把測量天體距離的尺子。

沙普利

接下來，我們就要標定零點位置，簡單來說就像在秤桿上標注起算點一樣。1915年，美國天文學家哈洛·沙普利成功解決了造父變星零點標定的問題，他對造父變星進行了系統性的研究，并利用造父變星對銀河系的形狀和大小進行了估算。在他之前，人們大都認為太陽系位于銀河系中心，而沙普利經過估算認為太陽系在銀河系的邊緣，銀河系中心其實位于人馬座方向。他的這些著名論斷對后人認識和研究銀河系產生了深遠的影響。

哈勃精密的距離測量

在對變星的研究和理論更新的過程中，另一位天才登場了。他就是美國著名天文學家愛德文·鮑威爾·哈勃。1923年10月4日，哈勃將望遠鏡對準仙女座星系，通過長曝光他得到了一張底片，在這張底片上哈勃發現了新出現的斑點。在接下來的幾天中，斑點沒有消失，還多了兩個。哈勃猜想這三顆星或許是新星，并對它們進行了研究，最終結果顯示有兩顆的確是新星，但還有一顆若隱若現的，很可能就是變星。根據造父變星的測距理論，通過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。哈勃十分興奮地計算出這個距離約為90萬光年。當時，人們已經知道銀河系的直徑約為10萬光年，那么距離地球約90萬光年的仙女座星系就是位于銀河系之外的星系。

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

愛德文·鮑威爾·哈勃