恆星變成中子星的過程（造父變星脈動周期和恆星本身的光度之間遵循一個正比例的關係）

2023-05-26 20:07:01 3

【作者：黃媂】

何謂「標準燭光」？

形象的說法是一根蠟燭它所發射出來的功率是恆定的，同時它的功率又非常高，如果把它作為天體來考慮，這就意味著它的光度是非常高的並且也是比較穩定的，所以把這根蠟燭或者把這個天體放在不同的距離上面，就可以看到它明暗的程度是不一樣的，離得越近就越亮，離得越遠就越暗，這是因為亮度、光度這兩者之間遵循的是「平方反比定律」，它們是跟距離的平方是成反比的。

首先確定標準燭光源的光度有多高，然後測量它的亮度，這樣就可以反推出它的距離了，這個時候最重要的或者是最關鍵的就是去尋找那些明亮的標準燭光源，標準燭光源裡面最常見的一類叫做「造父變星」。

20世紀初哈佛大學天文臺做恆星光譜分類那個期間，而當時的哈佛大學天文臺一位叫「皮克林」的天文學家，他僱傭了一批女士幫他做光譜分類的證認，其中一個傑出的代表就是「安妮·坎農」女士，坎農是光譜分類的一個重要貢獻者，其實還有另外一位科學家也做出了非常重大的貢獻，她就是「 亨麗愛塔·勒維特」，勒維特跟坎農有相似的地方就是她們幾乎都是聾子，所以當時皮克林交給勒維特的工作是研究「變星」，變星就是亮度會發生變化的恆星，而像我們太陽這樣的恆星變化的幅度非常的小，但是在恆星世界裡面有那麼一些恆星的光度會有比較大的起伏，勒維特的工作就是研究這些變星，結果她真的發現了一些特殊的變星，這些變星叫做「造父變星」，在這類變星裡面最著名的那一個就是「造父」，這是中國古代對這個星座的命名。

「造父變星」的光變是有規律的，恆星在體積最大的時候它變得最紅，這意味著它表面的顏色所對應的溫度是最低的，而在它光度最高的時候體積反而是最小的，這個時候它的顏色是藍色的，這表明它的溫度是最高的。

「造父變星」在發生光變的時候它具有一個典型的周期，這個周期叫做「脈動 周期」，因為恆星大小在收縮膨脹交替地進行，所以通過觀測這個「造父變星」發現了其實它們是屬於「紅巨星」，也就是它實際上已經離開了主序狀態了進入到恆星的晚年，這類天體由於內部核反應和恆星結構變化的原因，在某些特定的演化階段它的引力和它的內部的壓強並不能達到完全的匹配，這就使得它有的時候在它的包層會發生膨脹與收縮這樣交替進行的運動狀況，所以形象地把「造父變星」稱為會「呼吸的恆星」。

圖解：紅巨星結構示意圖

「 亨麗愛塔·勒維特」在研究這類造父變星的時候，發現了一個重要的規律，這個規律就是造父變星的脈動周期和恆星本身的光度之間遵循一個非常好的正比例的關係，這個關係稱為造父變星的周期和光度的關係，簡稱「周光關係」。其實「勒維特」當初研究得到這個周光關係的時候，並不是真正意義上的光度而是它的亮度，「 勒維特」並不知道造父變星的距離，但是當時有一個便利條件，就是「勒維特」所研究的這幾個造父變星它們都是在大、小麥哲倫星雲裡面的。

大、小麥哲倫星雲，這兩個星雲是銀河系外離得比較近的小星系，而它們和我們的距離遠遠的大於在這些星系裡面造父變星相互之間距離的差異，所以它們距離我們是完全相等的，因此這些造父變星它們亮度在某種意義上就代表它們的光度，只要對它做一個定標就可以得到它光度的大小，因此「勒維特」就得到了這個非常重要的、有意義的關係，因為造父變星本身非常的明亮它的光度很高，所以可以把它應用到非常遙遠的天體系統上面去，而它的應用範圍可以達到百萬光年以上，只要通過觀察在這個系統裡面某一個造父變星的脈動周期就可以得到它的光度，知道光度了，再通過對亮度的測量就可以確定它的距離，而這對研究銀河系的結構起到了深遠的影響。

圖解：周光關係——周期越長，光度越高，適用範圍達百萬光年

最早對銀河系進行系統研究的是「威廉·赫歇爾」，他在天文學史上是一個非常著名人物，他和他的妹妹「卡羅琳·赫歇爾」、他的兒子「約翰·赫歇爾」對整個天文學都做出了非常大的貢獻，而「威廉·赫歇爾」也是第1個系統地去研究銀河系裡面恆星分布的人。

圖解：真實的銀河繫結構

「威廉·赫歇爾」和「卡羅琳·赫歇爾」他們兩人是在夜晚測量恆星的方位和距離的，他們通過測量超過10萬顆恆星的距離，「威廉·赫歇爾」可以定出它們在銀河系裡面的空間分布，他得到的圖像近似一個扁平的結構，長度大約是6400光年，厚度大約1300光年，這是人類第1次對於銀河系的認識。但是這個扁平的結構今天看來是錯的，因為它只是真實面目的銀河系大小的5%，但是卻是我們認識銀河系邁出的第1步。

其中一個原因是他沒有一個很好的估計距離的方法，在當時條件還不成熟。

「卡普坦」是一位荷蘭的天文學家，在20世紀一二十年代，卡普坦開始利用照相底片這個辦法來測量恆星的亮度和位置，所以在效率上面就比「威廉·赫歇爾」提高了很多，卡普坦用大規模巡天加上統計的辦法，他得到了一幅新的銀河繫結構的圖像，在卡普坦銀河系的模型裡面，銀河系依然是一個近似扁平的形態，長度大約是5萬光年，厚度是1萬光年，而跟「威廉·赫歇爾」類似卡普坦也發現太陽大約位於銀河系的中心位置。

圖解：卡普坦銀河系模型

在卡普坦研究銀河系的同時，在美國有另外一位年輕的天文學家也開始去思考這個問題，這個天文學家就是「沙普利」，沙普利在研究銀河系的時候採用了一種完全不同的思路和方法，就像我們去查看一個城市的整體的結構一樣，可以有兩種辦法：

「沙普利」所採用的辦法主要依賴於「勒維特」得到的周光關係，在銀河系裡面那些星團的分布並不是隨機的，它們似乎是球對稱地分布的，並且這個球對稱的中心還不在太陽的位置，它在「人馬座」的方向，因此「沙普利」就猜測這個球對稱的中心反映了銀河系的中心，否則很難去解釋為什麼在銀河系裡面這些星團它們會有這樣一個特殊的分布，而只要把星團離我們的距離測量出來了，就可以得到它們分布的中心和我們太陽的距離，接下來就可以得到整個銀河系的大小， 所以沙普利就利用在這些星團裡面造父變星所遵循著的周光關係去測定了星團離我們的距離。

沙普利的銀河系模型一共用了69個星團，他發現的結果與卡普坦完全不同，而在這個模型裡面銀河系的中心也就是剛才說到的那些星團分布的中心，它位於「人馬座」，在銀河系的中心

到我們太陽系之間大約有5萬光年，而整個銀河系的大小達到了30萬光年，所以沙普利得到的銀河系模型遠遠的大於當時人們對於所有天體距離的測定，沙普利甚至認為這個銀河就是整個宇宙，因為它包容了一切。

上個世紀20年代是人們對於銀河、對宇宙認識發生劇烈變化的時候，因為在那個時候新的方法、新的望遠鏡、新的理論不斷地湧現，沙普利得到的結果和卡普坦並不一樣，在美國有另外一位天文學家，他是來自利克天文臺的「柯蒂斯」，柯蒂斯並不同意沙普利的結果，他依然相信銀河系的中心應該在太陽位置，他也不認為銀河系真的有沙普利所認為的那麼大，所以在1920年美國科學院就組織了一次辯論會，辯論會的兩名主角就分別是「沙普利」和「柯蒂斯」，辯論的焦點就是我們看到的那些漩渦星雲到底是在銀河系之內的，還是在銀河系之外？

當然雙方都有各自支持自己觀點的證據，但其實都沒有說服對方，因為都沒有強而有力的手段來精確地測量星雲距離的遠近。

到了1924年沙普利的同事「哈勃」開始考慮這個問題，1924年的時候沙普利已經離開了威爾遜天文臺，到了哈佛大學天文臺去了，哈勃接替了他的工作繼續對星雲進行觀測，哈勃選擇的星雲是「仙女座大星雲」，也就是「M31星系」，哈勃非常幸運地在仙女座大星雲的外緣，也就是它遠離核心的部位發現了一個變星，這個變星正是一顆造父變星，所以哈勃就利用勒維特得到的造父變星的周光關係測到了「仙女座大星雲」的距離，這個距離達到了90萬光年，「仙女座大星雲」遠遠的大於沙普利30萬光年大小的銀河系，所以「仙女座大星雲」其實不是星雲而是一個星系，而且是位於銀河系外的一個星系，這就第1次證實了「宇宙島」或者說「河外星系」的存在。

1924年美國科學促進會的會議上哈勃提交了他的論文，到了當時會議主辦者高度的評價——「哈勃的工作把已知宇宙的體積擴大了100倍，他解決了長期爭論不休的旋渦星雲性質的問題，指出旋渦星雲是和銀河系相當的恆星集團。」

圖解：圖中紅色框中的是變星，哈勃在這顆變星中寫了「VAR三個字母，Variabler的含義就是變星」

所以從哈勃的工作之後，人類對於宇宙的認識又發生了巨大的變化，從地心說到日心說的時候太陽一直被認為是宇宙的中心，但是沙普利把太陽從宇宙中心的位置挪開來了，哈勃進一步把太陽所處的銀河系也從宇宙裡面一個特殊的地位給進一步的挪開了，所以在這些研究過程裡面，我們可以看到科學家的創新精神和批判精神發揮了很大的作用，這裡的創新精神既包括在理論上和在方法上的創新，另一方面他們並不拘泥於前人的成見，他們勇於提出新的、更加有利的觀點。

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我叫【黃媂】，【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點讚.評論.轉發.關注互相學習。

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