千里姻緣引力牽——雙星

陳若穎

太陽是我們最熟悉的一顆恒星，提起它我們總會想到它身后那個龐大且熱鬧的太陽系家族。但其實，作為一顆恒星，它是很孤獨的，因為它的恒星伙伴都離它很遠，最近的一顆也在4.3光年之外。說到這兒，你可能要問，宇宙中還有不孤單的恒星嗎？沒錯，今天我們就要講講宇宙中那些成雙成對的恒星“眷侶”。

雙星“套娃”

你看天上的北斗七星，七顆恒星組成了一個酒斗的形狀。在我們看來，這七顆恒星就像相親相愛的一家人，總是聚在一起同時出現(xiàn)在夜空之中。其實不然，這七顆恒星并不算親近，反而位于斗柄位置的開陽星有一個親密無間的“小伙伴”——輔。輔星的視星等約為4等，在沒有視力檢測儀器的古代，“能否看見輔”就是軍隊選拔弓箭手的依據(jù)。不僅如此，古人還有“輔主殺伐”的說法。因為輔星較暗，只有在天氣較好的時候才能被人用肉眼看到，所以輔星出現(xiàn)意味著天氣好，適合打仗。

開陽和輔不只在地球上看起來距離很近，它們在宇宙中的真實距離也僅有0.36光年。此外，它們還圍繞著一個共同的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)。我們把這種由兩顆恒星組成的天體系統(tǒng)叫作雙星。但是科學(xué)家們暫時還沒有計算出開陽和輔的繞轉(zhuǎn)軌道周期，所以有一些人認為，它們只是一對光學(xué)雙星，也就是沒有物理聯(lián)系、只是在天空中看起來距離較近的兩顆恒星。

開陽和輔“相依相偎”，這種情況在茫茫宇宙中很常見，不過更令人驚喜的事情還在后面：如果用一架小型天文望遠鏡對著開陽仔細觀察，你會發(fā)現(xiàn)，開陽其實并不只是一顆恒星，出現(xiàn)在你視線內(nèi)的其實是兩個小亮點——沒錯，開陽本身就是一個雙星系統(tǒng)，而且是人類最早使用望遠鏡發(fā)現(xiàn)的雙星系統(tǒng)，早在四百年前就有人觀測到它們了。這兩顆子星按照大小，被稱為開陽A和開陽B，表面較亮的那顆恒星被命名為A，是雙星系統(tǒng)里的主星;表面較暗的恒星被命名為B，是雙星系統(tǒng)里的伴星。

開陽聚星系統(tǒng)

隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，不僅開陽本身是一個雙星系統(tǒng)，而且輔、開陽A、開陽B也都分別是雙星。也就是說，在開陽這整個天體系統(tǒng)里，一共有六顆恒星在相互繞轉(zhuǎn)！科學(xué)家們把這種有三顆以上的恒星在相互繞轉(zhuǎn)的天體系統(tǒng)稱為“聚星”。

發(fā)現(xiàn)雙星

1號、2號星在天球上的投影看似距離很近，但實際距離卻很遠

因為我們的太陽并沒有“伙伴”，所以最初科學(xué)家們以為所有的雙星都是“貌合神離”的光學(xué)雙星，即兩顆恒星之間并沒有引力作用，只是由于觀測視角造成了親密無間的視錯覺。

18世紀末，已經(jīng)有天文學(xué)家提出設(shè)想，認為雙星有可能是“一個較小的太陽圍繞著另一個較大的太陽旋轉(zhuǎn)”的天體系統(tǒng)，但是當時還沒有實際的觀測證據(jù)證明這個設(shè)想的正確性。真正發(fā)現(xiàn)雙星秘密的人，是英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾。威廉·赫歇爾是英國皇家天文學(xué)會的第一任會長，他發(fā)現(xiàn)了天王星、太陽的空間運動、銀河系的結(jié)構(gòu)等，被譽為恒星天文學(xué)之父。

19世紀初，在發(fā)現(xiàn)了數(shù)百對雙星，并仔細研究過它們之間的相對運動后，赫歇爾驚奇地發(fā)現(xiàn)，雙星系統(tǒng)里的恒星竟然大部分都存在相對的移動。比如在1803年，他就通過分析近一個世紀的觀測數(shù)據(jù)，首次證明了北河二這個雙星系統(tǒng)中的兩顆子星正在相互繞轉(zhuǎn)。據(jù)此，赫歇爾認為，雙星不只是看起來成雙，而是兩顆星在引力的束縛之下構(gòu)成了一個天體系統(tǒng)。自此，人類才真正認識并開始研究雙星。

通過研究雙星系統(tǒng)中兩顆恒星之間的運動，我們可以更準確地獲取該系統(tǒng)中某顆恒星的質(zhì)量、大小，以及天體運動軌道的一些信息。除此之外，因為雙星系統(tǒng)中的兩顆恒星距離較近，所以它們能夠呈現(xiàn)出特有的演化方式，是科學(xué)家們研究恒星演化的極佳的“實驗場”。

在赫歇爾之后，人們發(fā)現(xiàn)北河二是個六星系統(tǒng)

認識雙星

我們前文說到的“貌合神離”的雙星叫作光學(xué)雙星，它們并不是真正的雙星，不在雙星的研究范疇之內(nèi)。真正的雙星系統(tǒng)叫作物理雙星，其中的兩顆子星是相互繞轉(zhuǎn)、彼此之間存在物理聯(lián)系的。不過，雙星的世界豐富多彩，物理雙星又分成多種類型。例如，按照觀測分類，能夠分為目視雙星、食雙星和分光雙星三類。而且一個雙星系統(tǒng)有可能同時屬于兩種雙星類型，有的雙星可能既是目視雙星，又是食雙星;有的可能既是食雙星，也是分光雙星。這些雙星是怎么分出來的，各自又有什么特殊的性質(zhì)呢？

目視雙星

目視雙星，顧名思義，指的是用肉眼或者望遠鏡就能夠分辨出兩顆子星的雙星。當然，隨著望遠鏡分辨率的提高，我們能夠觀測到的目視雙星越來越多。經(jīng)過數(shù)年的持續(xù)觀測，我們能夠明顯地看到兩顆子星之間相對位置的變化。通過對位移的計算，我們就能夠得出兩顆子星的質(zhì)量、軌道周期等信息。而且，因為兩顆子星能夠被我們用肉眼分辨出來，可見這類雙星的子星之間一般相距較遠，它們相互繞轉(zhuǎn)一圈通常需要幾十年甚至上百年。比如，我們熟悉的夜空中最亮的星——天狼星，就是由一顆藍白色的主序星和一顆白矮星構(gòu)成的目視雙星。兩顆恒星之間大約距離20個天文單位，繞轉(zhuǎn)周期約為50年。

食雙星

美杜莎 （Caravaggio繪）

在古希臘神話中，有一個名為美杜莎的蛇發(fā)女妖。美杜莎平時吐舌露齒，頭上長著一條條飛舞的毒蛇。但最可怕的其實不是她的“頭發(fā)”，而是她的眼睛，普通人只要看她一眼就會立刻石化。為了除掉這個妖怪，宙斯之子珀爾修斯接到了殺死美杜莎的任務(wù)。機智的他借著青銅盾的反光，避開了美杜莎的目光，用寶刀砍下了她的頭顱。在回程的路上，珀爾修斯還順道救下了公主安德洛美達，并與公主結(jié)了婚。最后，珀爾修斯將美杜莎的頭獻給了智慧女神雅典娜。雅典娜為了感謝他，就將珀爾修斯和公主一起升為天上的英仙座和仙女座。

大家可能會疑惑，怎么我們明明在介紹雙星，卻突然講起了神話故事？這是因為在西方神話體系中，英仙座的星座形象就是正提著美杜莎頭顱的珀爾修斯。這顆頭顱的眼睛所在的位置就是一顆詭異的星星——大陵五。古人發(fā)現(xiàn)，大陵五的亮度會在幾天之內(nèi)發(fā)生明顯的周期性變化，就像神秘的美杜莎之眼一樣。

英仙座形象

其實，大陵五之所以會發(fā)生這樣的亮度變化，是因為它是一種特殊的雙星——食雙星。

宇宙中有一些雙星系統(tǒng)兩顆子星距離很近，而且它們運行的軌道與我們的視線恰好平行。這樣說來，當這些子星互相繞轉(zhuǎn)的時候，它們可能會相互遮擋，使雙星系統(tǒng)的整體光度發(fā)生周期性的變化。這類因為子星的相互掩食而發(fā)生光度變化的雙星，就是食雙星。大陵五就是一個典型的食雙星系統(tǒng)，它的光變周期大約是2.8天。

分光雙星

有的雙星系統(tǒng)兩顆子星之間的距離十分接近，繞轉(zhuǎn)周期也很短，這個時候，我們無論是用眼睛還是望遠鏡觀測，都很容易把這個雙星系統(tǒng)看成一顆普通的恒星。但是當我們持續(xù)觀測它的光譜時，就會發(fā)現(xiàn)它里面的譜線其實一直在發(fā)生周期性位移。此時我們就可以判斷，這顆恒星其實是一個由兩顆子星組成的雙星系統(tǒng)。正是兩顆子星的繞轉(zhuǎn)運動引起了譜線的位移。這種只能通過光譜來分辨的雙星，叫作分光雙星。

有的分光雙星的子星之間亮度相差不大，我們就可以觀測到兩顆恒星光譜中的譜線位置先分離再重疊然后再分離的周期性變化;如果雙星系統(tǒng)中主星和伴星的亮度相差太大，我們就只能看到一顆恒星的光譜，且譜線也在周期性地“搖擺”。

引力如此奇妙，它不僅能夠讓天體聚集成團、讓地球圍繞著太陽運轉(zhuǎn)，還能讓恒星相互陪伴，形成一個個承載宇宙奧秘的雙星系統(tǒng)。