王靈芝

給星星的亮度定等級

晴朗的夜空， 星星點點、有亮有暗。該如何精確描述一顆星星有多亮呢？天文學(xué)家將星星的亮度劃分為6 個等級，而這種描述星星亮度的等級叫作“星等”。

星等這個概念最早是由古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯在公元前2世紀提出的。

天文學(xué)家將肉眼可見的星星的亮度分為6等。星等數(shù)值越小，星星越亮；星等數(shù)值越大，星星越暗。1等星的亮度是6等星亮度的100倍，每級之間亮度相差約2.5倍。

星等有絕對星等和視星等兩種，其中視星等是指在地球上我們?nèi)庋塾^察到的星體亮度，而絕對星等反映的是天體真實的發(fā)光本領(lǐng)。如果我們能夠知道天體的絕對星等與視星等，就可通過數(shù)學(xué)公式——M（絕對星等）=m（視星等）+5-5lgd（d為恒星的距離。）得出天體之間的距離。這也是目前天體測距的主要計算途徑。

知識鏈接 視星等是變化的

視星等的數(shù)值主要受3個因素影響：一是星體本身的發(fā)光能力，二是觀測者和星體的距離，三是視線方向上的塵埃消光，就是天體的光在達到地球上的觀測者時，會穿過天體和觀測者之間的塵埃，由于塵埃的散射、吸收，這些星光會減弱。這也表明，我們不能簡單地通過視星等的大小來衡量一顆星體的發(fā)光能力。例如我們太陽系中的火星，它在離我們遠時（此時的星等高），和北極星的亮度差不多，而在離我們近時（此時的星等低），其亮度比天狼星還要亮一點。

測量星星距離的道路

天文學(xué)家具體是如何操作的呢？最早，人們想到的辦法是通過視差。視差就是從有一定距離的兩個點上觀察同一個目標所產(chǎn)生的方向差異。比如：我們抬起大拇指，分別用左眼和右眼觀察大拇指的位置，就會發(fā)現(xiàn)大拇指的位置發(fā)生了變化。但其實大拇指并沒有動，而是分別用左眼和右眼觀察時，大拇指在背景上投影的位置發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象就叫作視差位移。利用這種現(xiàn)象測量距離的方法也被稱為拇指測距，我們經(jīng)常能在一些戰(zhàn)爭題材的影視劇中見到。而天文學(xué)中，利用這種現(xiàn)象同樣可以測量天體之間的距離，這種方法被稱為三角視差法。

知識鏈接 如何利用三角視差法來測距

三角視差法所構(gòu)造出的三角形為等腰三角形，如下圖所示，底邊2R 為地球公轉(zhuǎn)軌道的直徑（已知）， 視差角θ 的大小在進行觀測時可以測得。利用勾股定理即可得所測星體離地球的距離

三角視差法簡化圖

視差位移（繪圖/ 陳禾）

三角視差法（繪圖/ 陳禾）

拇指測距（繪圖/ 陳禾）

從三角視差法到造父變星法，和造父變星實際應(yīng)用的流程圖（繪圖/ 周游）

但三角視差法應(yīng)用范圍有限，一旦天體位置過遠、視差角過小就無法應(yīng)用了。于是，天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了另外一種方法——造父變星法。所謂造父變星法，即有一類天體亮度隨時間而變化，這個變化的周期我們叫作光變周期，而光變周期又與它的絕對星等有一定關(guān)系，所以我們可以通過光變周期知道造父變星的絕對星等，然后再結(jié)合已知的視星等即可求得天體之間的距離。因此，造父變星可以作為一把“量天尺”來進行天體之間測距，造父變星也被稱為標準燭光。

讓我們更加形象地認識一下標準燭光。黑夜中， 一盞燭光如果近在咫尺，看起來會亮一些；如果距離較遠，則看起來暗一些。燭光本身的亮度實則沒有變化，只是距離遠近造成了明暗之別。因此，如果我們尋找一種有固定亮度變化的星體，用它作為尺子，就能計算其它星體的距離。

但由于造父變星的亮度太“小”了，導(dǎo)致其所適用的范圍僅限于銀河系及其附近，于是天文學(xué)家們就發(fā)掘了能夠測距更遠的“標準燭光”，那就是Ia 型超新星。

新型標準燭光的發(fā)現(xiàn)——Ia型超新星

在宇宙中， 天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有這樣一類星體， 它們非常亮， 且有著非常相似的光譜， 天文學(xué)家把它們稱為Ia型超新星。一種模型認為，Ia型超新星，是由兩顆恒星組成的，其中一顆是碳氧白矮星（ 小質(zhì)量恒星在燃燒完核燃料后最后會演化成白矮星），另一顆是它的伴星（比如主序星）。當二者距離相對比較近的時候，白矮星就會把同伴的物質(zhì)掠奪到自己的身上。當它通過吞噬物質(zhì)，質(zhì)量達到1.4 倍太陽質(zhì)量的時候，就會發(fā)生爆炸，即形成了Ia型超新星爆炸。這類超新星有比較均一的峰值光度， 所以可以作為比較精確的宇宙學(xué)距離指示器。

Ia型超新星比造父變星亮多了，根據(jù)觀測，Ia型超新星的亮度大約為太陽亮度的50 億倍。這不正是天文學(xué)家尋覓的比造父變星測距更遠的“尺子”嗎？比如，紫金山天文臺盱眙觀測站就曾經(jīng)收集數(shù)據(jù)尋找Ia型超新星。因此，Ia型超新星成為了新的“標準燭光”，被廣泛應(yīng)用于宇宙測距中。

讀完整篇文章，你是否對星光與天體測量有了新的認識。星光的微弱變化在天文學(xué)家眼中能變成一把丈量數(shù)萬光年的距離的“量天尺”，而神秘的宇宙當中還有很多神奇的現(xiàn)象等待著我們?nèi)ヌ剿鳎?/p>

（責(zé)任編輯 / 李曉霏 張麗靜 美術(shù)編輯 / 周游）

紫金山天文臺觀測站