恒星变成中子星的过程（造父变星脉动周期和恒星本身的光度之间遵循一个正比例的关系）

【作者：黄媂】

何谓「标准烛光」？

形象的说法是一根蜡烛它所发射出来的功率是恒定的，同时它的功率又非常高，如果把它作为天体来考虑，这就意味着它的光度是非常高的并且也是比较稳定的，所以把这根蜡烛或者把这个天体放在不同的距离上面，就可以看到它明暗的程度是不一样的，离得越近就越亮，离得越远就越暗，这是因为亮度、光度这两者之间遵循的是「平方反比定律」，它们是跟距离的平方是成反比的。

• 通过「标准烛光」可以获取天体的距离

首先确定标准烛光源的光度有多高，然后测量它的亮度，这样就可以反推出它的距离了，这个时候最重要的或者是最关键的就是去寻找那些明亮的标准烛光源，标准烛光源里面最常见的一类叫做「造父变星」。

20世纪初哈佛大学天文台做恒星光谱分类那个期间，而当时的哈佛大学天文台一位叫「皮克林」的天文学家，他雇佣了一批女士帮他做光谱分类的证认，其中一个杰出的代表就是「安妮·坎农」女士，坎农是光谱分类的一个重要贡献者，其实还有另外一位科学家也做出了非常重大的贡献，她就是「 亨丽爱塔·勒维特」，勒维特跟坎农有相似的地方就是她们几乎都是聋子，所以当时皮克林交给勒维特的工作是研究「变星」，变星就是亮度会发生变化的恒星，而像我们太阳这样的恒星变化的幅度非常的小，但是在恒星世界里面有那么一些恒星的光度会有比较大的起伏，勒维特的工作就是研究这些变星，结果她真的发现了一些特殊的变星，这些变星叫做「造父变星」，在这类变星里面最著名的那一个就是「造父」，这是中国古代对这个星座的命名。

• 「造父变星」的特点

「造父变星」的光变是有规律的，恒星在体积最大的时候它变得最红，这意味着它表面的颜色所对应的温度是最低的，而在它光度最高的时候体积反而是最小的，这个时候它的颜色是蓝色的，这表明它的温度是最高的。

「造父变星」在发生光变的时候它具有一个典型的周期，这个周期叫做「脉动 周期」，因为恒星大小在收缩膨胀交替地进行，所以通过观测这个「造父变星」发现了其实它们是属于「红巨星」，也就是它实际上已经离开了主序状态了进入到恒星的晚年，这类天体由于内部核反应和恒星结构变化的原因，在某些特定的演化阶段它的引力和它的内部的压强并不能达到完全的匹配，这就使得它有的时候在它的包层会发生膨胀与收缩这样交替进行的运动状况，所以形象地把「造父变星」称为会「呼吸的恒星」。

图解：红巨星结构示意图

「 亨丽爱塔·勒维特」在研究这类造父变星的时候，发现了一个重要的规律，这个规律就是造父变星的脉动周期和恒星本身的光度之间遵循一个非常好的正比例的关系，这个关系称为造父变星的周期和光度的关系，简称「周光关系」。其实「勒维特」当初研究得到这个周光关系的时候，并不是真正意义上的光度而是它的亮度，「 勒维特」并不知道造父变星的距离，但是当时有一个便利条件，就是「勒维特」所研究的这几个造父变星它们都是在大、小麦哲伦星云里面的。

大、小麦哲伦星云，这两个星云是银河系外离得比较近的小星系，而它们和我们的距离远远的大于在这些星系里面造父变星相互之间距离的差异，所以它们距离我们是完全相等的，因此这些造父变星它们亮度在某种意义上就代表它们的光度，只要对它做一个定标就可以得到它光度的大小，因此「勒维特」就得到了这个非常重要的、有意义的关系，因为造父变星本身非常的明亮它的光度很高，所以可以把它应用到非常遥远的天体系统上面去，而它的应用范围可以达到百万光年以上，只要通过观察在这个系统里面某一个造父变星的脉动周期就可以得到它的光度，知道光度了，再通过对亮度的测量就可以确定它的距离，而这对研究银河系的结构起到了深远的影响。

图解：周光关系——周期越长，光度越高，适用范围达百万光年

最早对银河系进行系统研究的是「威廉·赫歇尔」，他在天文学史上是一个非常著名人物，他和他的妹妹「卡罗琳·赫歇尔」、他的儿子「约翰·赫歇尔」对整个天文学都做出了非常大的贡献，而「威廉·赫歇尔」也是第1个系统地去研究银河系里面恒星分布的人。

图解：真实的银河系结构

「威廉·赫歇尔」和「卡罗琳·赫歇尔」他们两人是在夜晚测量恒星的方位和距离的，他们通过测量超过10万颗恒星的距离，「威廉·赫歇尔」可以定出它们在银河系里面的空间分布，他得到的图像近似一个扁平的结构，长度大约是6400光年，厚度大约1300光年，这是人类第1次对于银河系的认识。但是这个扁平的结构今天看来是错的，因为它只是真实面目的银河系大小的5%，但是却是我们认识银河系迈出的第1步。

• 为什么「威廉·赫歇尔」得不到对于银河系的正确认识呢？

其中一个原因是他没有一个很好的估计距离的方法，在当时条件还不成熟。

• 在「威廉·赫歇尔」之后有不少天文学家也开始研究银河系结构这个问题。

「卡普坦」是一位荷兰的天文学家，在20世纪一二十年代，卡普坦开始利用照相底片这个办法来测量恒星的亮度和位置，所以在效率上面就比「威廉·赫歇尔」提高了很多，卡普坦用大规模巡天加上统计的办法，他得到了一幅新的银河系结构的图像，在卡普坦银河系的模型里面，银河系依然是一个近似扁平的形态，长度大约是5万光年，厚度是1万光年，而跟「威廉·赫歇尔」类似卡普坦也发现太阳大约位于银河系的中心位置。

图解：卡普坦银河系模型

在卡普坦研究银河系的同时，在美国有另外一位年轻的天文学家也开始去思考这个问题，这个天文学家就是「沙普利」，沙普利在研究银河系的时候采用了一种完全不同的思路和方法，就像我们去查看一个城市的整体的结构一样，可以有两种办法：

• 方法一：一种像威廉·赫歇尔和卡普坦那样逐条街道去进行度量，细致地画出每一幢建筑的位置。
• 方法二：在夜晚登上高楼看到路灯的轮廓，根据这些轮廓可以画出这座城市大体的形状，这种方法的效率比方法一要高很多。

「沙普利」所采用的办法主要依赖于「勒维特」得到的周光关系，在银河系里面那些星团的分布并不是随机的，它们似乎是球对称地分布的，并且这个球对称的中心还不在太阳的位置，它在「人马座」的方向，因此「沙普利」就猜测这个球对称的中心反映了银河系的中心，否则很难去解释为什么在银河系里面这些星团它们会有这样一个特殊的分布，而只要把星团离我们的距离测量出来了，就可以得到它们分布的中心和我们太阳的距离，接下来就可以得到整个银河系的大小， 所以沙普利就利用在这些星团里面造父变星所遵循着的周光关系去测定了星团离我们的距离。

沙普利的银河系模型一共用了69个星团，他发现的结果与卡普坦完全不同，而在这个模型里面银河系的中心也就是刚才说到的那些星团分布的中心，它位于「人马座」，在银河系的中心

到我们太阳系之间大约有5万光年，而整个银河系的大小达到了30万光年，所以沙普利得到的银河系模型远远的大于当时人们对于所有天体距离的测定，沙普利甚至认为这个银河就是整个宇宙，因为它包容了一切。

上个世纪20年代是人们对于银河、对宇宙认识发生剧烈变化的时候，因为在那个时候新的方法、新的望远镜、新的理论不断地涌现，沙普利得到的结果和卡普坦并不一样，在美国有另外一位天文学家，他是来自利克天文台的「柯蒂斯」，柯蒂斯并不同意沙普利的结果，他依然相信银河系的中心应该在太阳位置，他也不认为银河系真的有沙普利所认为的那么大，所以在1920年美国科学院就组织了一次辩论会，辩论会的两名主角就分别是「沙普利」和「柯蒂斯」，辩论的焦点就是我们看到的那些漩涡星云到底是在银河系之内的，还是在银河系之外？

当然双方都有各自支持自己观点的证据，但其实都没有说服对方，因为都没有强而有力的手段来精确地测量星云距离的远近。

到了1924年沙普利的同事「哈勃」开始考虑这个问题，1924年的时候沙普利已经离开了威尔逊天文台，到了哈佛大学天文台去了，哈勃接替了他的工作继续对星云进行观测，哈勃选择的星云是「仙女座大星云」，也就是「M31星系」，哈勃非常幸运地在仙女座大星云的外缘，也就是它远离核心的部位发现了一个变星，这个变星正是一颗造父变星，所以哈勃就利用勒维特得到的造父变星的周光关系测到了「仙女座大星云」的距离，这个距离达到了90万光年，「仙女座大星云」远远的大于沙普利30万光年大小的银河系，所以「仙女座大星云」其实不是星云而是一个星系，而且是位于银河系外的一个星系，这就第1次证实了「宇宙岛」或者说「河外星系」的存在。

1924年美国科学促进会的会议上哈勃提交了他的论文，到了当时会议主办者高度的评价——“哈勃的工作把已知宇宙的体积扩大了100倍，他解决了长期争论不休的旋涡星云性质的问题，指出旋涡星云是和银河系相当的恒星集团。”

图解：图中红色框中的是变星，哈勃在这颗变星中写了「VAR三个字母，Variabler的含义就是变星」

所以从哈勃的工作之后，人类对于宇宙的认识又发生了巨大的变化，从地心说到日心说的时候太阳一直被认为是宇宙的中心，但是沙普利把太阳从宇宙中心的位置挪开来了，哈勃进一步把太阳所处的银河系也从宇宙里面一个特殊的地位给进一步的挪开了，所以在这些研究过程里面，我们可以看到科学家的创新精神和批判精神发挥了很大的作用，这里的创新精神既包括在理论上和在方法上的创新，另一方面他们并不拘泥于前人的成见，他们勇于提出新的、更加有利的观点。

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我叫【黄媂】，【科普新星培训营】95后女学员，今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关（天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普）的文章，欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。

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