书城科普读物科学奥秘丛书-宇宙的奥秘
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第23章 恒星的概况(2)

在哥白尼时代人们就明白这个原理,由于仪器过于落后,连哥白尼本人也没有很好的测量出恒星的视差。你不要小瞧这个问题,对它的探索,花费了科学家近乎3个世纪的时光。由于恒星离我们太遥远,视差是很难测量出来的。它的难度相当于测量20千米之外的一枚5分硬币所张的角度。直到1837年,新的望远镜送到人们手中,人们才第一次成功地用三角视差测量法定出恒星的距离。这个经历了3个世纪未能攻克的难关,是在三个地方由三位天文学家攻克的。他们是德国的贝塞尔、英国的亨德逊和俄国的斯特鲁维。贝塞尔选取了自行最大的恒星——天鹅座61星作为观测对象;亨德逊选取了比较亮的半人马座α星(中国名叫南门二);斯特鲁维选的是织女星。这三颗星离地球都比较近,很容易测出它的视差来。测出视差,我们就很容易计算出恒星离我们的距离来。到现在,已经用这种方法测定出经1万颗恒星的距离。我们所熟知的牛郎星和织女星与我们的距离分别是16光年和27光年,而它们之间距离为14光年。可见他们相距是如此之遥远,即使他们双双乘坐现代化火箭去相会,也不能年年七夕相会。更不用说牛郎还肩挑着一双儿女,徒步“鹊桥”了。看来他俩只得永远地“连年”相思。哎!神话中的遗憾氛围只好代代相传了。

尽管如此,三角测量方法仍存在一定的限度,对于更遥远的天体,如超过2~3百光年的距离时,它就毫无办法了。于是人们又想出其他的方法把量尺伸向更远的宇宙空间。

其中最重要的方法是利用造父变星来测量恒星的距离。大部分恒星的亮度是不变的(相对来说),但有少数恒星的亮度有周期变化,有时明有时暗,变化周期大多在1天到50天之间。这种变星的典型是仙王座S星,我国古时候叫它“造父一”,因而和这颗星同类型的变星获得了造父变星的称号。

天文学家根据造父变星的光变周期推导出恒星的距离。

由于造父变星都是光度大的星,比太阳的光度大至几百倍甚至几万倍,即使在遥远的地方,甚至在银河系之外一些星系内的造父变星也能观测到。

因而利用造父变星不仅可以测量银河系内恒星的距离,更重要的是测量出一些星系的距离。

造父变星就好像是太空中孤岛上特殊的灯塔,以变幻的光芒为讯号,向天文工作者暗示孤岛的距离。

造父变星测量方法,把我们的视线带人到银河系之外的宇宙。

测量恒星距离,是19世纪天文学上的重大成就,也是天文史上的重要里程碑。

恒星的距离是研究恒星的重要资料,在这个基础上,我们才能进而了解恒星的光度、质量、大小等其他性质;才能进一步探明天体系统的种种结构。

恒星的大小

星星在体积和质量等方面的差别达到了不可思议的程度。在太阳系中,地球与太阳在直径上相差109倍,这是行星与恒星的差异,这算不了什么。在宇宙中,即使是在恒星之间,由于它们所处的环境以及它们发展阶段的悬殊不同,其大小的差别以数10亿倍来计算的。

恒星依光度的大小,我们把它分为两类。光度大的O型、B型星及红巨星,其光度比太阳要大千倍、万倍堪称星界的“巨人”。

而红矮星、白矮星则处在另一个极端,它们和太阳相比,显得暗淡无光,被喻为恒星界的“矮子”。

人的高矮是依据身高来辨别的,恒星的大小有无差异呢?换句话来说,怎样才能测得恒星的大小呢?到了现代,随着科学技术和人类探测宇宙的不断发展,人类才真正研究起这个问题来。恒星距离的测量、恒星光谱秘密的揭示,为测得恒星的大小提供了可能。

对恒的距离的测量已经使天文学家费了九牛二虎之力,要测量恒星的大小就更加困难了。因为它们离人类实在太远了。

太阳和月亮是我们能直接看出圆面的天体,它们的视角直径(即直径对人眼所张的角度),大约为半度左右。

人眼的分辨本领是有限的,再远的行星,人眼就无法看出它的圆面了。

金星离地球紧近时约有1分的张角,就已超出人眼的分辨能力。

望远镜可以增加人眼的分辨能力。

通过不大的望远镜,我们可以看到金星的圆面,它和月亮一样,也有盈亏变化。

最远的冥王星在大望远镜里,尚能见到小小的圆面(最大角直径约为0″22)。

利用望远镜上附装的测角仪器,可以测出它圆面的角直径。

可是,恒星离我们太远,角直径大小。

即使用最大的望远镜去看,也只是一个个光点。

使用高倍率的目镜,以增大放大的倍率,除了星象变得模糊以外,依然看不出什么圆面来,难道真的无能为力了吗?不!人类探索的天性不是这样的。

在20世纪20年代,人类才第一次完成直接测量恒星直径工作。美国著名物理学家迈克耳孙和天文学家皮斯根据光的干涉原理,设计了一具干涉仪。它和2.5米的望远镜装在一起。

这个干涉仪有6米长的钢架,架子两端各有一个可以自由滑动的平面镜。

星光经过它们的反射后到达望远镜里发生于涉,这时可以看到带有细的干涉条纹的圆面。

移动两面平面镜,达到一定距离,这些干涉条纹就会消失。

记下这个距离,再根据干涉理论就能算出恒星的角直径来。

测得恒星的角直径,又知道它跟地球的距离,就能算出恒星的线直径来。

织女星的距离为8.1秒差距(1秒差距等于3.26光年),经过计算,我们知道它的直径为太阳的3倍。

天上有一些红色的、热度并不高的庞大恒星,它们的直径一般都比太阳大数十倍到数百倍。

猎户座的参宿四的直径就至少是太阳的300多倍,如果把太阳系装入参宿四的躯体,那么从太阳到火星以83内的行星都是在其躯壳内运行。

这颗巨星若想加入恒星间的体积比赛,还是不够资格的。

现代天文学家发现武仙星座α星的直径竟是太阳的20万倍,其体积则超过太阳的8万亿倍。

如果我们把地球比做一粒米的话,太阳就像一颗人头,而这颗星却有半个香港那么大。

还有更大的星,如剑鱼座S星的直径比太阳要大1 400万倍,由于球体的体积与直径的三次方成比例,按此计算,这颗巨星的肚子里可以装进30万万个太阳。其差异多大啊!

但是在宇宙中,太阳也不算是恒星的“侏儒”。

比太阳小的矮星为数更多,红矮星的直径只有太阳的几分之一到几十分这一。

白矮星就更小了,它的直径最小的只有太阳的1/300,也就相当于地球的1/3,小虽小,但它们本身也发光发热,因此还在恒星之列。

由此可见,巨星和矮星相差之大,比鲸鱼和跳蚤的身躯差别还要大。

恒星的质量

天文学家不但要给星星测量距离、体积大小以外,还要给星星测量体重。听起来,这似乎是难以想象的事情,既然恒星离我们那么远,个子又那么大,什么样的秤能量出他们的体重呢?别着急,科学家总是能想出办法来。

在太空中,有一类名为双星的星,它们整天成双成对地在一起转悠。

积累了有关双星的运动的足够数据后,应用万有引力定律和行星运动定律,就可以把每一颗星的质量计算出来。

那么恒星质量之间的差别是否也像它们体积之间差别那么大呢?完全出乎你的意料,它们质量的差别并不很大。

一般恒星的质量和太阳差不多。大部分在太阳质量的0.4到4倍之间。它们最大的质量不超过太阳质量的100倍左右,最小的质量也不低于太阳质量的几十分之一。

恒星一个颇为重要的物理量就是质量。恒星的质量,如果太小,小于太阳质量的0.7倍的话,它的内部就难以发生热核反应来维持它发光发热,它就不具备成为恒星的条件了。反之,如果恒星的质量过大、过重,在天球上又不断地运动,那它本身也就没有什么力量能保持原状,只好分离瓦解了。

所以恒星的质量深刻地反映了物质世界的量变、质变规律。

测量出了恒星的体积和质量后,我们就能够计算出它们的密度。

其公式为D=M/V。

D是密度,M是质量,V是体积。

太阳的平均密度是1.4克/厘米3,地球为5.5克/厘米3。

一般的恒星,密度差异也不大。

可是对于巨星和矮星来说,由于它们体积差异的悬殊,其密度的差异也非常惊人。

白矮星的体积非常小。

天狼伴星是第一颗发现的白矮星,它的半径只有太阳的1/45,体积为太阳的1/90 000。

可是其质量和太阳却差不多,因此其密度即是太阳的9万倍,即天狼伴星的密度为126千克/厘米3。

如果在小小的火柴盒里装满了这种物质,它会有3吨重。

呵,你能拿得动吗?它得用吊车拉,用卡车运了。

这还不算最大的,有一种白矮星,体积只有地球那么大,而质量却比太阳还要大几倍,它的平均密度,大到近乎神话的地步,是水密度的数千万倍。

打个比喻说,如果取一小指头大小的这种物质拿到地球上来,它就可以达到几十吨重,须用火车车皮才能载得动。

一个100多斤重的人,到了白矮星上,就会变成几十万吨重!几十万吨的重力,立刻就要把他压成一片薄饼。

宇宙间竟拥有如此巨大密度的物质,简直是令人惊叹不已,难以相信。

连天文学家也感到意外。

可是测量、计算一一经过检验,并没有错误。

因此,人类不得不相信,在宇宙中,确实存在着如此高密度的物质。

现代物理学家根据原子结构理论,对它作了很好的说明。

另一方面,巨星的身躯异常庞大,而质量却仅比太阳大几倍,其密度极低。

红巨星的平均密度只有水的1/100。

更有甚者,只有水的1亿分之一,比地球上的空气还要稀上几万倍!它们仅是一团庞大、稀薄而又炽热的气体球。

恒星的温度和亮度

在日常生活中,我们认为一块熔化了的金属,温度已经是非常高的。

但这比起恒星的表面温度来还差得很,要与恒星内部的温度相比,则更是微不足道了。

恒星表面温度可以从1 600℃到100 000℃。

而恒星的内部温度则在摄氏1 000万度以上。

恒星的温度可以分为好几种类型:

O型:30 000℃~50 000℃以上

B型:20 000℃左右

A型:10 000℃

F型:8 000℃

G型:6 000℃

K型:4 000℃

M型:2 000℃

与太阳温度的测量一样,人们通过恒星的颜色来测量它的表面温度。

精确的测量方法可以采用光谱分析法。

原来各类型恒星都发射自己独特的光谱,并且在光谱带的不同位置,各种光谱线发射的能量也是不同的,其中某一波长的能量将达到最大值。

恒星的温度愈高,最大值的波长就愈短;反之温度愈低,波长就愈长。

它们之间存在着简单的比例关系。

因此只要从光谱分析中找出这个具有最大发射能量的波长来,那么恒星的表面温度就可容易地计算出来。

恒星的温度不同,它们的光的颜色也就不同。

下表就是它们之间的关系:

星色/表在温度

蓝/40 000℃~℃25 000℃

蓝白/25 000℃~12 000℃

白/115 000℃~7 700℃

黄白/7 600℃~6 000℃

黄/6 000℃~5 000℃

橙/4 900℃~3 700℃

红/3 600℃~2 500℃

恒星的亮度和它的温度有密切的关系。

用肉眼我们就能区分出恒星间的不同亮度,古代人类按照这种光亮程度的不同,将星光分为6个等级。

1等星最亮,而6等星最暗。

每等星间亮度相差2.25倍,1等星和6等星间在实际亮度上相差100倍。

你见过探照灯吗?它有人那么高,它那强烈的圆柱形的光束可以照射到数千米之外,把在夜空中飞行的飞机照得一清二楚,亮得耀眼。

你也一定见过夜晚在树丛中飞舞的萤火虫,在它的尾部有一个小小的光点,弱到只能照亮它自己,可说是暗淡得很。

探照灯和萤火虫,一个亮,一个暗,两者所发出的光度相差真是太大了。

然而在恒星世界里,不同恒星光度差别之大,比起它们来,实在有过之而无不及。

你们相信吗?请往下看,你们就会自己得出结论来。

望远镜发明以后,通过望远镜,人们看到了许多肉眼所见不到的微暗星晶,而且其亮度间的差别可区分得更加细致。

于是人们发明仪器来测量星星的亮度,并将亮度的等级划分扩大到小数和负数的范围。

按照这种等级划分,满月时月亮的亮度为-12.6等星,晴天的太阳为-26.8等星。

除了太阳外,天空中最亮的星光是天狼星,它是-1.6等星。

太阳和天狼星比较,虽然它们之间只相差25.2个等能,但实际上它们之间的亮并相差120亿倍。

天文学家用现代望远镜能看到的最暗的星是20等星,若用拍照的方法则可看到23等星。

上述的亮和星等是不计星体远近的,这是我们在地球上了望恒星时所表现的亮度,所以叫视星等。

但实际上,有些看来极亮的星未必是发光很强的,只是由于它离我很近的缘故。

同样有些看来很暗的星却可能是发光很强的星,只是由于它们距离我们很远造成的。

这样的道理,我们在日常生活中也常见到的。

例如晚上,当我们在一个城市的大街上漫步时,可以看到由近及远的一盏盏街灯。

看起来,近灯比远灯亮。

能否说近灯真的比远灯亮呢?当然不能。

实际上它们的亮度是一样的,之所以看起来亮度不同,仅仅是因为距离不同而已。

因此天文学家为了比较星体本身发出的光度,便假定把全部星星都放在一个同等的距离(3.26光年)上,从而定出它们本身光度和绝对星等。

按绝对星等来计算,太阳只是一颗肉眼刚可见到的微弱星星,它属于4.8绝对星等。

而天狼星却属于1.3绝对星等,所以它的本身光度比太阳大25倍。

天空中有一些恒星的本身光度可以比太阳大数十万倍。

当把太阳和参宿七放在上述同一距离上,太阳看起来相当于一个5等星,原来貌不出众的参宿七却要比太阳亮5万多倍。

这不算什么,天空里还有比太阳光度大50~100万倍的星,如剑鱼座中的S星及天蝎座中的Gl星。

但另一方面,天空中最暗恒星的本身光度却只有太阳的550万分之一(绝对星等为19.2),如果把它放在太阳的位置上,那么它也不会比满月亮多少。

可见天空中,本身光度最高和最暗的星差别是多么悬殊啊!说它们是探照灯和萤火虫还真挺贴切的。

答:恒星是运动的,只因为离地球太远,我们不易发现它的位置变化,除了太阳,最近的恒星离地球也有4.22光年。