漫談恒星的視星等與絕對星等

宋媛媛

說到夜空中最亮的恒星，很多人會不約而同地想到北極星，在大家的印象里，北極星極為明亮，能夠在野外迷路時(shí)為我們指引方向。事實(shí)真是這樣嗎？其實(shí)，北極星只是一顆2等星，如果你觀測過星空，就會發(fā)現(xiàn)比北極星亮的恒星還有很多！如果把全天的恒星按亮度排序，北極星大約只能排到第五十名左右！

全天的恒星是如何準(zhǔn)確地根據(jù)亮度進(jìn)行劃分的呢？這里就要講一講關(guān)于星等的知識啦！

恒星亮度與視星等

我們說到一顆星是幾等星，一般都是指目視星等（視星等），用m表示。顧名思義，目視星等指的就是我們在地球上，用肉眼觀測到的星星亮度。目視星等的由來，要追溯到公元前2世紀(jì)，當(dāng)時(shí)古希臘有一位偉大的天文學(xué)家名叫喜帕恰斯（也有譯名為依巴谷），他編制了西方的第一個(gè)星表，發(fā)現(xiàn)了歲差現(xiàn)象，還首次用“星等”來劃分星星的亮度，在天文學(xué)領(lǐng)域取得了諸多成就。

虛擬天文館模擬星空，你能找到北極星嗎？

在望遠(yuǎn)鏡還未出現(xiàn)的年代，所有的天文觀測都是用眼睛進(jìn)行的。傳說喜帕恰斯的視力非常好，他在觀測恒星時(shí)把全天肉眼可見的恒星按照亮度分成了6個(gè)等級，1等星最亮，2等星稍暗……6等星表示的是人的眼睛能看到的最暗的星星。星等的數(shù)值越小，表示星星越亮，這個(gè)星等系統(tǒng)沿用至今。

兩千年后，法國數(shù)學(xué)家布蓋發(fā)明了測日光度計(jì)，用以比較天體的亮度。1857年，英國天文學(xué)家普森用光度計(jì)測出了恒星的亮度，并與星等進(jìn)行了比較，他發(fā)現(xiàn)1等星的亮度是6等星的100倍！那么，星等相差一個(gè)等級，亮度差異就是（100）^1/5=2.512倍。根據(jù)人眼的生理特性，對亮度強(qiáng)弱的感受服從對數(shù)規(guī)律，因此星等之間的亮度關(guān)系可以用以下公式表示：

其中，E₁和E₂分別為兩顆恒星的實(shí)際亮度，即單位時(shí)間單位面積接收到的輻射流，稱為“照度”，這是用光度計(jì)測得的。而m₁和m₂分別表示兩顆恒星的目視星等。

喜帕恰斯

現(xiàn)在我們測定一顆星星的星等，會先用天文儀器測定星星的亮度，然后通過星等與亮度的換算公式計(jì)算出星等。英國天文學(xué)家普森為了更準(zhǔn)確地測定星等值，還引入了“負(fù)數(shù)”表示更亮的星星，比如太陽的視星等為-26.75等，月亮滿月時(shí)的星等為-13等，金星最亮?xí)r能達(dá)到-4.6等。當(dāng)然，月球和金星本身是不發(fā)光的，它們是反射的太陽光。

夜空中最亮的恒星——天狼星的視星等為-1.45等，而北極星為2.02等，它們的實(shí)際亮度相差25倍！隨著望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，我們通過望遠(yuǎn)鏡看到了比6等星更暗的天體，于是出現(xiàn)了7等星、8等星……大型望遠(yuǎn)鏡甚至能觀測到28等星。

英國天文學(xué)家普森

恒星光度與絕對星等

視星等能代表恒星的真實(shí)亮度嗎？答案是否定的！這就像我們夜晚看到的路燈，離我們近的路燈明亮耀眼，遠(yuǎn)處的路燈則呈現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)微光，然而實(shí)際上這些路燈亮度幾乎相同。夜空中的恒星和我們的距離各不相同，我們是根據(jù)在地球上接收到的恒星“輻射流量”測得的恒星亮度，這和恒星距離有很大的關(guān)系，并不能反映出恒星真實(shí)的發(fā)光能力，比如：小犬座的南河三距離我們約11.4光年，視星等為0.38等;天鵝座的天津四距離我們約1400光年，視星等為1.25等;如果我們把它們放在同樣的距離比較一下，就會發(fā)現(xiàn)天津四的真實(shí)發(fā)光能力是南河三的10000倍！南河三之所以看上去更亮，是因?yàn)樗x我們更近。

發(fā)光的恒星

那么如何測量一顆恒星真實(shí)的發(fā)光能力呢？我們知道恒星之所以會發(fā)光，是因?yàn)槠浜诵脑诓粩嗟剡M(jìn)行熱核反應(yīng)，產(chǎn)生的能量不斷地向外層轉(zhuǎn)移，最終從恒星表面逸出，射向宇宙。要衡量恒星真正的發(fā)光能力，我們要測量的是恒星表面單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，這才是恒星的真實(shí)亮度，天文學(xué)上稱其為恒星的“光度”。恒星的光度一般通過天文望遠(yuǎn)鏡和輻射探測器進(jìn)行測量。

為了能公平地比較不同恒星的光度，天文學(xué)上假設(shè)把所有恒星都放在同一個(gè)距離上，即10秒差距（pc）處。在這個(gè)距離上，我們看到的視星等大小，被稱為絕對星等，用大寫字母M表示。

超級鏈接

秒差距

恒星之間的距離非常遙遠(yuǎn)，在測量恒星之間的距離時(shí)一般使用秒差距作為距離單位，英文用pc表示。1秒差距大約等于3.26光年。

牧夫座最亮的星——大角星

太陽的絕對星等是4.83等，在地球上看，太陽光芒萬丈，是所有恒星中最明亮的，因?yàn)樗x地球最近。如果把太陽放在10秒差距處，它看上去就是一顆視星等為4.83等的暗弱的星星，這個(gè)視星等的恒星如果放在燈火輝煌的城市夜晚，我們幾乎看不到它。而牧夫座大角星的絕對星等是-0.2等，和太陽相差大約5個(gè)星等，也就是大角星真實(shí)的發(fā)光能力是太陽的100倍，只不過它離我們很遠(yuǎn)，在我們看來它并沒有太陽明亮。可以想象一下，如果把大角星放在太陽的位置將會怎樣？我們的地球是否還能存在生命？此外，天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了很多比太陽亮的恒星，比如船底座的海山二，其光度約為太陽的500萬倍！

牧夫座最亮的星——大角星絕對星等M，視星等m，恒星到太陽的距離D之間的關(guān)系可以用公式來表示：

M=m+5-51gD（D的單位就是秒差距）

全天最亮的21顆恒星

了解了視星等與絕對星等的概念，你還覺得北極星是最明亮的恒星嗎？看看全天最亮的21顆恒星表，你還可以用手機(jī)或電腦下載“虛擬天文館”等軟件模擬一下今晚夜空中有哪些亮星，它們都是幾等星？然后試著找一個(gè)開闊的地方進(jìn)行觀測，看看你是否能找到它們。