恒星的亮度會變化嗎

■ 顏士州

晴朗無月的夜晚，滿天繁星散發著燦爛的光輝，給夜空增添了無限的美感。星光會變化嗎？星星的亮度永遠不變嗎？說也奇怪，在長達幾十世紀的歲月里，沒有哪個人想到過這些綴滿天穹的星星會有亮度變化。

人類明確認識到星的亮度會變化，是在1596年。那一年8月，德國一位叫法布里修斯的牧師偶然注意到在鯨魚座有一顆2等星。法布里修斯是位業余天文學家，對星空比較熟悉，在他的印象里，星空的這個位置好像沒有這顆亮星。他找來星圖、星表查看，也沒有找到關于這顆星的記載。于是，法布里修斯開始注意觀察這顆亮星。令人想不到的是，2個月后這顆星變得看不見了。

十幾年后的1619年2月，德國天文學家巴耶爾在鯨魚座里也看到一顆過去未曾看見的3等星，他把這顆星命名為鯨魚座。過了幾個月，這顆星也變得看不見了。后來人們才確定，法布里修斯和巴耶爾看到的是同一顆星。在當時人看來，一顆星的亮度在短期內竟有這么大的變化，實在是不可思議的事。波蘭天文學家赫維留斯干脆把這顆星叫做“米拉”，意思是“奇怪莫測”（中國把這顆星叫做芻藁增二）。后來，人們發現它的亮度變化是周期性的，亮度最大時達到2等，最小時可暗到10等，平均周期為332天。人們把亮度在短期內有變化的星統稱為變星，像鯨魚座這樣周期長的變星叫做長周期變星。長周期變星是已知數目最多的一類變星，幾乎每個星座中最早發現的變星都屬于長周期變星。比較著名的、最亮時可用肉眼看見的長周期變星有獵戶座U、獅子座η、盾牌座R、天鵝座R、仙后座R等。

英仙座β是另一類變星，中國把這顆星叫做大陵五，古代阿拉伯人把它稱為“阿爾戈爾”（意思是“變幻莫測的神靈”）。據推測，古代阿拉伯人可能早就注意到它的亮度變化了。1782年11月12日，一位英國的聾啞青年古德利克觀測到英仙座β的亮度漸漸暗下去了。當它的亮度下降到正常亮度的1/3時，他發現它又重新亮了起來，逐漸恢復到原來的亮度。古德利克發現大陵五的亮度每隔2天20小時49分便周期性地變暗一次，最亮時亮度達2.13等，最暗時為3.40等。他所測定的變光周期和現代測定的精確值僅相差4.6秒。1783年5月，古德利克把自己的發現寫成論文《關于魔星光變周期的觀測和發現》，并將論文送到英國皇家學會，當時他年僅19歲。不但如此，古德利克還正確地解釋了魔星變光的原因，他認為這是一對大小、光度不同的兩顆星，在互相繞轉的過程中，彼此遮擋而使星光亮度發生變化。當大而暗的伴星遮住小而明亮的主星時，大陵五的亮度便下降了，遮擋過程結束，大陵五便又恢復原來的亮度。人們把類似大陵五這樣的因兩星互相遮擋而使亮度發生變化的變星叫做食變星。

接著，古德利克于1784年又發現仙王座δ（造父一）也是一顆變星。它的變光周期為12.91天，亮度極大時達到3.4等，最暗時為4.3等。為什么造父一的亮度會有周期性變化呢？是不是在它附近也有顆伴星在互相繞轉而使星光發生變化呢？1894年，俄國天文學家貝洛玻爾斯基觀測了造父一的光譜，發現光譜線有周期性的位移，這似乎表明造父一在空間做某種圓周運動。因此，當時有些人就猜想，仙王座δ也是顆食變星。20年后，美國天文學家夏普萊重新研究了這顆星的亮度變化和光譜變化，又考察了它的半徑和表面溫度隨時間的變化。結果發現，當光譜線向紅端位移時，恒星體積收縮，表面溫度增高，亮度增大；當光譜線向紫端位移時，恒星的體積膨脹，表面溫度下降，恒星的亮度減小。原來，造父一是顆本身隨時間周期性不斷收縮、膨脹著的恒星。這種運動像是心臟的脈動一樣，因此，人們把仙王座δ星叫脈動變星。許多變星都屬于脈動變星，有的和造父一類似，變光周期在一天到幾十天內，被稱為造父型變星。在天琴座發現的一顆脈動變星叫天琴座RR，它的變光周期在0.5天左右。和天琴座RR星類似的、光變周期在0.05天～1.5天內的脈動變星，稱為短周期造父變星或者叫天琴座RR型脈動變星。

造父型變星有種很特殊的屬性，稱為周期—光度關系，簡稱周光關系。造父型變星有的亮、有的暗，有的視星等大些，有的視星等小些，有的光變周期長些，有的光變周期短些。它們的變光周期和視星等之間有沒有什么規律呢？美國女天文學家勒維特深入研究了小麥哲倫星云中的25顆造父型變星，一一記錄下它們的視星等和變光周期。勒維特發現，光變周期越長的變星視星等也越大，非常有規律，并畫出了造父型變星的光變周期和視星等的不同的關系曲線。這樣一來，造父型變星視星等的不同實際上是它們光度不同的反映。也就是說，造父型變星的周期和視星等的關系實際上反映出它們的周期和光度的關系。勒維特把視星等換算成絕對星等，得出了一個重要的規律——周光關系。如果我們測定出某顆造父型變星的周期，就可根據這一關系求出該星的光度，并由光度和視星等進一步測定出距離。因此，造父型變星被稱為“量天尺”，根據它測定出的距離稱為造父視差。