神秘变星背后的天文学家

叶飞

每当我们仰望星空的时候，一眼望去，天上的星星好像都长得差不多，每颗都在“一闪一闪亮晶晶。”在莎士比亚的名作《恺撒大帝》中，剧中人物恺撒大帝曾高声说道：“我像北方之星一样永远不变。如果我们在仰望星空时也认为北方之星永恒不变，那么我们就和莎士比亚犯了同样的错误。

北极星的亮度并非永远不变，夜空中的星星也并非永远一副模样。大多数恒星的亮度的确比较稳定，但也有一些恒星会在亮度上做些文章，让人捉摸不透。这类恒星在天文学上就被称为“变星”。若你没有发现这些恒星的亮度变化，一方面可能是因为观察得不够仔细，另一方面也可能是肉眼的观测能力有限。不过，古往今来很多天文学家观测并记录下了变星的亮度变化规律，为我们解开了一个又一个谜团，让我们得以窥见宇宙的绚烂，感受宇宙的奇妙。

大陵型变星

1592年，大卫·法巴雷克斯发现鲸鱼座。星有周期性的消失现象，这颗恒星后来被命名为米拉，在拉丁文中即有“不可思议的恒星”之意。在米拉之后，蒙坦雷在1669年发现了英仙座β星，这颗星又称Algol，意思即是“眨眼的妖魔”;它还有一个中文名叫作大陵五，因为古人把它看作陵墓中闪动的鬼火。英仙座的大陵五在星空中闪闪发光，而且亮度一直在变化，这令当时的天文学家深感困惑，直到一位名叫古德里克的人注意到它。

鲸鱼座

18世纪，约翰·古德里克出生于荷兰，由于他是一位聋哑人，所以只能在英国爱丁堡的聋哑儿童学校学习。古德里克十几岁时，对天文学产生了浓厚的兴趣，他的父母十分理解并支持他发展天文学方面的爱好，于是古德里克转入沃灵顿学院继续学习，并通过学习逐渐展现出自己在天文学方面的天赋。

古德里克

古德里克十分喜歡仰望星空，看着闪烁的繁星，一个人享受这份寂静。又或许是因为聋哑的缘故，上天给了他出色的视觉，古德里克对明暗的光感远超常人。别人观察不到的极暗淡的星，或者虽明亮但亮度变化幅度极其微小的星，全都难逃他的双眼。在夜空中闪烁的大陵五就这样进入了古德里克的视野，它不断变化的亮度引起了古德里克的注意，他决定解开这个谜团。要做到这件事并不容易，首先需要观测者有极强的耐力，能够每天不厌其烦地、长时间地观测星空，除此之外还要足够细心，才能对细微的变化有所察觉。

通过几个月的仔细研究和详细记录，古德里克相信大陵五的亮度变化遵循着一个固定的周期。在经过更多的研究和对比记录后，他发现大陵五的变化周期正好是3天。而古德里克对大陵五的研究没有止步于此，他还尝试回答大陵五的亮度为什么会有这样的变化。他认为大陵五的表面有黑斑，可能是因为它身边还存在一颗我们看不见的伴星在围绕着它旋转，大陵五与这颗伴星组成了双星系统。这颗伴星周期性地阻挡了大陵五原本发出的光芒。提出这个大胆假说的古德里克当时只有17岁，并且只是个业余的天文学爱好者。很久以后，古德里克这个有关大陵五的假设得到了证实。他的论文最终获得英国皇家天文学会科普利奖章，并当选为皇家学会会员。

大陵五的神秘面纱被揭开，使人们了解了宇宙中存在的一类特殊群体——变星。而在现今已知的众多变星中，像大陵五这类双星系统的变星还有很多，不过由于大陵五是其中的典型，所以后发现的这类变星都被称作“大陵型变星”。

英仙座中的大陵五

造父变星

1784年10月，古德里克又把目光投向了仙王座δ，这颗星又称“造父一”。他发现造父一与大陵五是不同类型的变星，造父一的亮度变化并不是被其他伴星影响造成的，而是它本身亮度的变化。不过很可惜，这位年轻人还没来得及对造父一进行深入研究，他的生命就终结在22岁了。

正是古德里克发现了造父一的光变现象，之后自身光亮不断变化的恒星便被统称为“造父变星”。我们最熟悉的北极星也是一颗造父变星。造父变星身上又有什么样的秘密呢？

由哈勃空间望远镜拍摄的船尾座RS造父变星

造父变星的光亮变化是有规律的，不同的造父变星也有不同的光变周期。造父一的光变周期就是5天8小时47分28秒，而与它同一年被发现的天鹰座η的光变周期则是7.2天。古德里克虽然无缘完成对造父变星的研究，但是在他之后，造父变星的神秘光变现象引起了诸多天文学家的关注，他们在对造父变星的研究过程中发现了惊天秘密。

最早发现造父变星的光变周期与其亮度有关的人是哈佛大学的天文学家亨丽爱塔·勒维特。无独有偶，她也是一位聋哑人，对光线也同样敏感。勒维特1868年出生于美国马萨诸塞州的兰开斯特，1893年，哈佛大学的天文台招募了一批聋哑女性，请她们对天文台所拍摄的照片底片进行整理和分类，勒维特就是其中一员。在这样的工作中，勒维特通过观察小麦哲伦星云内的25颗造父变星，发现造父变星的光变周期越长，亮度变化就越大。1921年，勒维特主持了哈佛大学天文台的恒星测光工作，但与古德里克相似的命运再次上演——这一年勒维特因癌症去世。

勒维特

勒维特的发现使人们认识到光变周期与视星等的关系其实可以认为是光变周期与绝对星等的关系。所谓绝对星等，是天体真实的发光能力。举个例子，月球看上去比北极星要亮，是因为月球本身发光的能力强吗？我们肉眼看到的月球亮度其实是视星等，早在很久之前天文学家就知道天体的可视亮度并不等于天体的真实亮度。月球比北极星亮最为主要的原因是月球较北极星距离我们更近。小麦哲伦星云距离地球很遥远，我们可以这样认为，在小麦哲伦星云内的这25颗造父变星到地球的距离是一样的，因此这25颗造父变星因为消除了距离上的差异，它们的可视亮度就可以代表其实际亮度。勒维特将25颗造父变星的周期和亮度的变化数据画成坐标图，她观察到造父变星光变周期越长，恒星的绝对亮度就越大;相反，其光变周期越短，绝对亮度就越小。在恒星的绝对星等中，数值越小，亮度越高，说明恒星的发光能力越强。

小麦哲伦星系

造父变星测距法

了解了造父变星的光变周期后，天文学家可以将已知亮度和距离的变星当作参考基准，然后就可以据此推算出其他已知亮度的变星距离了。如此说来，造父变星就像一把测量天体距离的尺子。

沙普利

接下来，我们就要标定零点位置，简单来说就像在秤杆上标注起算点一样。1915年，美国天文学家哈洛·沙普利成功解决了造父变星零点标定的问题，他对造父变星进行了系统性的研究，并利用造父变星对银河系的形状和大小进行了估算。在他之前，人们大都认为太阳系位于银河系中心，而沙普利经过估算认为太阳系在银河系的边缘，银河系中心其实位于人马座方向。他的这些著名论断对后人认识和研究银河系产生了深远的影响。

哈勃精密的距离测量

在对变星的研究和理论更新的过程中，另一位天才登场了。他就是美国著名天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃。1923年10月4日，哈勃将望远镜对准仙女座星系，通过长曝光他得到了一張底片，在这张底片上哈勃发现了新出现的斑点。在接下来的几天中，斑点没有消失，还多了两个。哈勃猜想这三颗星或许是新星，并对它们进行了研究，最终结果显示有两颗的确是新星，但还有一颗若隐若现的，很可能就是变星。根据造父变星的测距理论，通过仙女座星系中的这颗变星就可以算出仙女座星系与地球的距离。哈勃十分兴奋地计算出这个距离约为90万光年。当时，人们已经知道银河系的直径约为10万光年，那么距离地球约90万光年的仙女座星系就是位于银河系之外的星系。

银河系外的星系因为距离我们很远，通常我们很难知道它们离地球和银河系到底有多远。然而，有了造父变星测距法，我们想知道某个星系与地球的距离时，只要找到这颗星系中的一颗造父变星，测出它的光变周期，再计算它的距离，就能够知道这个星系距离我们有多远了。听上去是不是很神奇？造父变星因其特殊的作用，一直被天文学家视为宠儿，还为它取名“量天尺”，天文学家对变星的研究也从未停止过。未来，造父变星还能创造什么样的天文奇迹？让我们拭目以待吧！

爱德文·鲍威尔·哈勃