為什麼最亮的星星叫啟明星（它的亮度為何為出現周期性的變化）

2023-08-12 11:44:36 3

變星（variable star）是指亮度與電磁輻射不穩定的，經常變化並且伴隨著其他物理變化的恆星。

當我們仰望夜空中的星星，我們一般認為這些恆星的亮度是相對穩定的，以幾十億年如一日的速度燃燒著它們的核燃料。只有在生命的最後階段，恆星外觀才會發生改變，成為紅巨星，最終結束其生命。

然而對於許多恆星來說，「變」是他們正常生命的一部分。歐洲航天局（European Space Agency）用壯觀的方式展示了一顆著名的變星船尾座RS（RS Puppis），它的亮度隨時間而變化，並在周圍物質的反射光中表現出了這種神奇的變化。

那麼什麼是變星？它的亮度是如何變化的？我們可以從三種不同的視角來回答這個問題，包括：歷史視角，科學視角，還是物理視角。

自古以來，人們就認為天上的星星是一個固定的光點。偶爾會出現像新星或超新星這樣的災難性事件，產生一個暫時變亮的物體，但這種情況並不常見，在人類歷史上只發生過少數幾次肉眼可見的超新星事件。

1596年的8月，大衛·法布裡修斯發現了一顆突然變亮的恆星，在10月底這顆變亮的恆星就完全從視野中消失了，起初他認為這是一顆新星。但奇怪的是，這個光點在1609年同一位置再次出現了，而新星和超新星以前從來沒有在變暗後，這麼短時間內還能再次出現；所以法布裡修斯發現的這顆變亮的恆星根本就不是一顆新星，而是第一顆人類歷史上發現的，在本質上亮度可變的芻藁變星或米拉變星。

但當時的科學條件根本無法研究這樣罕見的天文現象，它不僅出現的少，而且也很難觀察到。

所以變星一開始被人們認為在宇宙中極其罕見，因為人們近兩個世紀的搜尋才找到了10顆這樣的恆星，但是隨著科學技術、以及天體攝影技術的發展，變星就變得不在那麼神秘了，發現的數量也大幅增加。

1893年，亨麗埃塔·萊維特來到哈佛大學天文臺工作，並開始著手對變星進行研究，到1913年，她在小麥哲倫星雲中就發現了大約1000多顆不變性。

通過仔細研究，萊維特發現，這些變星有一些特殊的性質，例如：平均亮度最高的變星，其光度變化的周期也最長，也就是完成一個脈衝周期需要更多的時間（從最暗到最亮，再從最亮變為最暗）。

最亮的變星的變化周期一般為幾個月，亮度降低時，變化周期也會隨之縮短，最暗的變星在一天內都可以完成一個脈衝周期。

根據以上的性質，萊維特發現造父變星的平均亮度和脈衝周期存在著明確的關係。

這種相關性就是我們今天常說的周光關係，這一重大發現給宇宙學的發展帶來的不可估量的影響。下面我們就說下，對變星的理解在科學上的作用和意義。

萊維特調查的這些變星都在小麥哲倫星雲中。而小麥哲倫星雲距離地球足有19.9萬光年，但它的尺寸只有7000光年左右，由於尺寸很小，因此我們就認為所有的這些變星與地球的距離大致相同。而表觀亮度的差異也就對應於變星內稟亮度的差異，所以我們就可以根據距離與亮度之間的關係，算出變星內稟亮度和周期之間的關係。

知道這一點，下次我們在其他星系中發現了變星，只需測量變星亮度的變化周期，就可以知道這顆變星實際上有多量，再測量出變星的在視覺上看起來有多亮，然後再根據光度和距離之間的衰減關係，就可以算出這顆變星實際上離我們有多遠。

我們現在稱這些可以測量距離的物體為標準燭光，也就是說，我們只要知道一根蠟燭本身有多亮，然後再測量它看起來有多亮，就可以知道這根蠟燭離我們的距離是多少。

掌握了造父變星的周光關係，我們就擁有了一根標準蠟燭。這樣我們就能用它來測量宇宙中的星系離我們的距離，埃德溫·哈勃在上個世紀的20年代就是利用變星測量出了螺旋星雲實際上是離我們非常遙遠的獨立星系，我們人類這才了解到宇宙原來不僅僅是銀河系，還存在著大量的類似於銀河系的星星島嶼。

在宇宙中有許多類型的變星，種類繁多，它們的顏色和亮度變化極大。除了萊維特發現的造父變星之外，還有質量較低和周期較短的天琴座RR型變星、紅巨星變星（比如Mira）、不斷跳動的白矮星和許多其他的一些變星。

但最重要的是，這些變星的周期變化在宇宙中很容易被觀察到，而且周期和它們的絕對亮度之間有非常明確的關聯，因此變星是宇宙距離階梯中最重要的組成部分之一。

當然我們在近距離上還有測量距離更好的辦法，就是我們最早掌握的視差法，即在一年中地球繞太陽公轉時，恆星在天空中位置的變化來確定恆星的距離，但這種方法只適用於距離為1600光年的恆星。

所以在距地球1600光年的範圍內，我們一般用視差測量，但在更遠的距離上我們利用變星，測量的距已經超過了1億光年！

通過觀察這些變星的亮度如何隨時間發生變化，也就是它們的變化周期有多長，然後在識別出我們所觀察到的變星是哪一種類型的變星，我們就可以確定銀河系之外數億光年之外天體的距離。

那麼，最後一個問題就是，這些恆星的光度為何會變化？而且還呈現出了穩定的周期性，

恆星光度發生變化，我們一般會認為是核心的核聚變速率發生了變化，然後這些變化傳播到了表面才引起的恆星光度周期性變化。但是這種情況基本上不可能，首先就算恆星的核心聚變速率在波動，但是要想在光度上造成影響，這個周期至少的幾十萬年，因為一個典型的光子自誕生開始想要傳播到恆星表面至少得約10萬年的時間。

還有恆星在其生命周期內，核心聚變的速率是會變化，但這發生在很大的時間尺度上，並不會發生短周期的波動。其實，各種類型的變星其核心聚變速率都是穩定，但不相同的。

而想要解釋變星周期波動的原因，我們需要看恆星的最外層。

恆星的最外層就是光球層，光子離開光球層以後就永久脫離了恆星，但光球層是一個比較特別的地方。對於那些不是變星的恆星來說，光球層相對來說是比較穩定的。也就是說，在光球層向外推動離子的輻射壓力和引力相互平衡，兩個力相互抵消。太陽就是這樣的近似情況，但也不是說就完美的平衡。

在太陽的最外層，輻射壓力和引力也在互相對抗，你推我拉，導致物質在這兩股力量的平衡之間發生升降，所以任何恆星的最外層都會發生下面的循環過程：

對於太陽來說，它的亮度變化強度大約是0.1%。

但是對於變星來說，它們的亮度和半徑可以發生巨大的變化，比如90%甚至更多！半徑通常會變化數百萬公裡，溫度變化數千度！

這就是變星發現的歷史，在宇宙學上應用和它光度變化的原因。其實對於正常的恆星來說，如果我們觀察得足夠精確，就會發現每顆恆星的亮度都會經歷這樣周期性的變化。就像這個宇宙中的許多事物一樣，唯一不變的就是變化。