天文学家的量天尺：造父变星

【作者】吴霞辉

【审核】周玖

【编辑】张宓

天文学家的量天尺：造父变星

造父变星是变星的一种，所谓变星，是指亮度经常会发生显著变化的恒星，而造父变星是以造父一（仙王座δ星）为原型的一类变星，故得名造父变星。根据造父变星亮度变化的周期（光变周期）与绝对星等之间的周光关系可以确定星团、星系的距离，因此造父变星可以作为测量距离的标准烛光，被誉为“量天尺”。

标准烛光（图片来源于网络）

造父变星属于脉动变星，这种变星是由于恒星大气周期性脉动及其伴随着的光谱变化而引起了亮度的周期性变化。造父变星的光变周期从不到一天到几十天的都有，光变幅（最大亮度与最小亮度之差的绝对值）0.1～2星等。根据在银河系中的分布范围，造父变星可分为两大类，即I型造父变星（也被称为经典造父变星或仙王座δ型变星）和II型造父变星。I型造父变星比较年轻、质量较大，分布于银河系平面附近；II型造父变星则比较老且暗弱，在银河系内的分布近于球状。平均而言，II型造父变星的绝对星等比I型造父变星暗了1.5～2星等。

脉动变星（图片来源于网络）

1784年9月10日，英国天文学家爱德华·皮戈特发现了天桴（读音fú）四（天鹰座η）的亮度变化，这是发现的第一颗经典造父变星。几个月后，另一位英国天文学家约翰·古德利克发现了造父一的亮度变化，测出造父一的光变范围3.7～4.4星等，光变周期为5天8小时47分28秒。

造父一的光变曲线（图片来源于维基百科）

首先认识到造父变星具有测距功能的是哈佛大学天文台的亨丽爱塔·勒维特。1908年，勒维特通过研究小麦哲伦云中成千上万的变星，发现了经典造父变星的光变周期与视星等之间存在某种关系。造父变星的光变周期越长，视星等越亮，因为小麦哲伦云离我们足够遥远，恒星又非常密集，其中每颗恒星到地球的距离都可以看作是近似相同的，因此勒维特发现的光变周期与视星等的关系可以视为光变周期与绝对星等的关系。1912年她利用25颗造父变星进一步确立了光变周期与绝对星等之间的关系。

勒维特1912年论文中的周光关系曲线（图片来源于哈佛大学天文台通告）

1915年，美国天文学家哈罗·沙普利使用造父变星周光关系推测出了银河系的大小和形状，以及太阳系在银河系中的大致位置。1924年，美国天文学家爱德温·哈勃和米尔顿·赫马森由造父变星的周光关系测量出M31的距离，发现旋涡星云远在银河系范围之外，银河系本身便是无数星系中的一个，成功解决了宇宙岛之争。

宇宙岛之争（图片来源于网络）

1952年，沃尔特·巴德指出造父变星并不是一个物理性质完全一致的变星类型，而是可分为两种不同类别（即前文所述的I型与II型）。I型造父变星和II型造父变星遵循不同的周光关系，而之前使用造父变星对距离的测量并不区分I型造父变星与和II型造父变星，因此误差很大。正是由于这个原因，哈勃计算出的M31距离只有75万光年，虽然他之后又修正为150万光年，然而仍偏小，现今测得M31的距离为254±0.06万光年。

两种不同类型造父变星及天琴座RR星的周光关系（图片来源于网络）

长期以来，造父变星周光关系的零点问题一直悬而未决，零点即上图中周光关系曲线与纵轴（绝对星等或光度）的交点。似乎只要用三角视差算出较近的任意一颗造父变星的距离，这一问题就解决了，然而造父变星距离地球都较远，地面一直无法测得较为精确的视差。1989年8月8日伊巴谷卫星发射后，精密测量了数百颗银河系内造父变星的视差，才有了比较精确的周光关系（仅适用于I型造父变星）：〈MV〉=-2.81lgP-1.43，式中〈MV〉为平均绝对星等，P为以天为单位的光变周期。

实际上，除了零点问题，用造父变星测量距离还有更普遍的不确定性。上式是根据银河系内的造父变星得出的，有研究表明河外星系中的造父变星与银河系内的造父变星特征与性质有很大差异，这些特征与性质会影响周光关系的零点。天文学家估计这一影响不会太大，至多只有十分之几星等。

参考资料

1、Cepheid variable，

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Cepheid_variable

2、向守平，天体物理概论，中国科学技术大学出版社，2008年11月第一版

3、沈强生，变星的分类，云南天文台台刊，1979年

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