星星的顏色

漆黑的夜晚，無(wú)數(shù)的星星在夜空中熠熠生輝。乍一看，天上的星星除了亮度的差異，好像并沒(méi)有更多的區(qū)別。從很多與星星有關(guān)的畫(huà)作中可以得見(jiàn)，在大多數(shù)人眼中，星星的形狀要不就是點(diǎn)狀，要不就是閃爍的星狀，而顏色則是單調(diào)的黃色或白色。但是真實(shí)的星星果真如此嗎？至少?gòu)念伾蟻?lái)說(shuō)，它們絕下單調(diào)，而星“五顏六色”的！

透過(guò)望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)觀察星星，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)天空中的星星其實(shí)有多種顏色，比如在獵戶(hù)座中最亮的兩顆星——參宿四和參宿七，它們的顏色就形成了鮮明的對(duì)比，憑肉眼便能看到參宿四呈紅色，而參宿七則閃耀者明亮的藍(lán)白色光芒。

恒星的“光譜”

談到星星的顏色，我們要從一位磨鏡師說(shuō)起……

夫瑯和費(fèi)，1787年出生于德國(guó)，是一個(gè)玻璃匠的孩子，家境十分貧寒，而且不幸的是，夫瑯和費(fèi)11歲時(shí)成了孤兒。后來(lái)，他就在慕尼黑的一家玻璃作坊當(dāng)學(xué)徒。作坊的房子崩塌后，他被巴伐利亞選帝侯馬克西米利安一世·約瑟夫從廢墟中救起。馬克西米利安一世十分愛(ài)護(hù)夫瑯和費(fèi)，將他送往著名修道院的光學(xué)學(xué)院學(xué)習(xí)，這所修道院十分重視玻璃制作工藝。

通過(guò)學(xué)習(xí)，夫瑯和費(fèi)不僅在透鏡設(shè)計(jì)制造方面有著出色的表現(xiàn)，他所制造的大型折射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器也極負(fù)盛名。因?yàn)榉颥樅唾M(fèi)，巴伐利亞也取代英國(guó)成為當(dāng)時(shí)光學(xué)儀器的制造中心。

1814年，夫瑯和費(fèi)發(fā)明了分光儀，在太陽(yáng)光的光譜中，他發(fā)現(xiàn)了574條黑線，這些線被稱(chēng)作夫瑯和費(fèi)線。在此基礎(chǔ)上，1859年，基爾霍夫和本生發(fā)明了光譜儀。一個(gè)傍晚，基爾霍夫和本生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，遠(yuǎn)處燃燒的大火吸引了他們的注意，他們直接把光譜儀瞄準(zhǔn)大火。令人意外的是，即使相隔很遠(yuǎn)的距離，他們?nèi)匀豢梢詮幕鹧娴淖V線排列中檢測(cè)到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)存在的元素。由此，本生產(chǎn)生了一個(gè)大膽的設(shè)想，如果把光譜儀對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，也可以檢測(cè)到太陽(yáng)的元素嗎？很快，基爾霍夫把本生這一瘋狂的想法付諸實(shí)踐。從太陽(yáng)發(fā)出的光中，他成功辨認(rèn)出九種元素，更加令人驚訝的是，太陽(yáng)含有的元素和地球上的元素竟然一樣?；鶢柣舴虻倪@一發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了19世紀(jì)天文學(xué)的發(fā)展，直接開(kāi)啟了兩門(mén)新學(xué)科——光譜學(xué)和天體物理學(xué)。

光譜與顏色

天體物理學(xué)關(guān)心的一項(xiàng)重要指標(biāo)便是恒星的顏色，而恒星的顏色就跟恒星的光譜有關(guān)。在恒星的光譜中我們可以看到，看上去發(fā)紅的星星，它的光譜中顯示的紅光成分最多：而藍(lán)色的星星，藍(lán)光成分最多?；诤阈堑墓庾V反映出來(lái)的問(wèn)題，天文學(xué)家們開(kāi)始注意到，金屬片在不斷加熱的過(guò)程中，會(huì)依次產(chǎn)生紅色、橙色、黃色、白色的光，那么是否意味著不同顏色的恒星也有不同的溫度水平？當(dāng)時(shí)，投入這方面研究的天文學(xué)家已經(jīng)得出肯定的結(jié)論，他們認(rèn)為不同顏色的恒星對(duì)應(yīng)著不同的溫度，即星星的顏色是由它的表面溫度決定的。不過(guò)，在這一研究中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在恒星的光譜中還有很多“暗線”，這些“暗線”看上去就像裂縫一樣，它們被稱(chēng)作“譜線”。對(duì)此，基爾霍夫和本生做出了合理的解釋——恒星的表面有一層溫度相對(duì)比較低的大氣層，而正是大氣層里那些特定元素中的原子吸收了恒星光芒中相應(yīng)波長(zhǎng)的光波，形成了譜線。正如以光譜來(lái)分析太陽(yáng)的元素一樣，人們開(kāi)始關(guān)注和探究其他恒星的物質(zhì)元素，最終發(fā)現(xiàn)組成恒星的原子與組成地球的原子本質(zhì)上也并沒(méi)有什么不同。

譜寫(xiě)恒星光譜的天文學(xué)家不止夫瑯和費(fèi)、基爾霍夫、本生等，還有很多天體物理學(xué)家參與其中。塞奇神父與夫瑯和費(fèi)同是恒星光譜學(xué)的先驅(qū)，1860年至1870年間，他收集了約4 000顆恒星的光譜。收集完后，他對(duì)這些恒星光譜進(jìn)行了分析。整理資料時(shí)，他發(fā)現(xiàn)在他收集的這些恒星光譜中，其類(lèi)型和子類(lèi)型其實(shí)非常有限，完全可以按照光譜對(duì)這些恒星進(jìn)行分類(lèi)。因此，為了分辨恒星光譜，塞奇神父創(chuàng)造了早期的光譜分類(lèi)法，創(chuàng)建了系統(tǒng)的恒星分類(lèi)。在塞奇神父的恒星分類(lèi)中，第一類(lèi)是白色和藍(lán)色的恒星，在這兩種恒星的光譜中能夠測(cè)出厚重的氫線和金屬線;第二類(lèi)是黃色恒星，觀測(cè)這類(lèi)恒星會(huì)發(fā)現(xiàn)其中氫的強(qiáng)度有所減弱，但是金屬線卻更加明顯了：第三類(lèi)是橘色恒星，它們有較為寬闊的譜線：第四類(lèi)是紅色恒星，它們有明顯的碳帶;第五類(lèi)是發(fā)射譜線的恒星。塞奇神父的恒星分類(lèi)被稱(chēng)為五種塞奇分類(lèi)，不過(guò)此后這個(gè)分類(lèi)逐漸被哈佛恒星分類(lèi)法所取代。

赫羅圈

恒星的光譜信息就是指在恒星的輻射中體現(xiàn)出不同顏色或波長(zhǎng)的分布情況。在一個(gè)世紀(jì)以前，就有天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)恒星輻射功率與恒星溫度之間的重要對(duì)應(yīng)關(guān)系，即輻射功率越大，溫度越高（并非全部恒星都是如此）。他們還發(fā)現(xiàn)，其中最關(guān)鍵的是恒星質(zhì)量，即質(zhì)量越大的恒星，輻射功率也越大，溫度也就越高。

由哈佛大學(xué)天文臺(tái)發(fā)展出來(lái)的哈佛恒星分類(lèi)法，即著名的“赫羅圖”就展示了恒星輻射功率（或者光度）與溫度的關(guān)系。在赫羅圖中，橫軸是光譜類(lèi)型及恒星的表面溫度，溫度從右向左遞增。字母O、B、A、F、G、K、M分別代表了不同的光譜類(lèi)型，這些光譜類(lèi)型與不同的溫度對(duì)應(yīng)，溫度較低的恒星顏色偏紅，溫度較高的恒星顏色偏藍(lán)。圖中還有各種顏色的圓點(diǎn)，這些彩點(diǎn)分別表示了各種半徑大小不一的恒星以及所屬的顏色序列。通過(guò)彩點(diǎn)可以看出，一般右上角分布的恒星個(gè)頭兒比較大，屬于巨星或者超巨星，比如參宿四就是一顆紅巨星，它的直徑比木星公轉(zhuǎn)軌道的直徑還要大，在赫羅圖中它就處于右上角。分布在赫羅圖左下角的恒星相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，一般都是矮星，如天狼星的伴星天狼星B就是一顆亮度僅為天狼星萬(wàn)分之一的白矮星，必須借助大型望遠(yuǎn)鏡，而且要在兩星距離最遠(yuǎn)的時(shí)候才能看見(jiàn)。赫羅圖從左上方到右下角這條明顯的分布路徑被稱(chēng)為主序帶，描繪了恒星主要的“成長(zhǎng)”路徑，大部分恒星都分布在這條主序帶上。

隨著時(shí)間的推移，一顆恒星會(huì)不斷演化，并在赫羅圖的主序帶上“移動(dòng)”（當(dāng)然也有部分恒星會(huì)在演化過(guò)程中離開(kāi)主序帶）。比如，目前正處于壯年時(shí)期的太陽(yáng)，它現(xiàn)在位于赫羅圖的中央位置，而當(dāng)它演化至生命末期時(shí)，就會(huì)膨脹為一顆紅巨星，并不斷向外拋射外部殼層，最終成為一顆白矮星，“移動(dòng)”至赫羅圖的左下方。

恒星的一生非常漫長(zhǎng)，所以它們的顏色變化十分緩慢，甚至在人的一生中，很難察覺(jué)一顆恒星的顏色變化。不過(guò)，了解了這些知識(shí)，下次你就可以在自己的星空畫(huà)作上大膽畫(huà)下五顏六色的星星了！