第五節(jié)　天體的秘密

夜空中的星星有亮有暗，這種明暗的程度就是星星的亮度。古人很早就試圖把星星的亮度劃成不同的等級(jí)。公元前2世紀(jì)，古希臘的天文學(xué)家喜帕恰斯就繪制了一份標(biāo)有1000多顆恒星位置和亮度的星圖，并根據(jù)目視觀察把恒星亮度劃分為6等。這一有關(guān)星等的概念一直沿用至今。

一、天體的亮度和視星等

喜帕恰斯把肉眼看到的星分為6等，最亮的星定為1等星，勉強(qiáng)看到的暗星定為6等星。1850年，普森注意到喜帕恰斯定出的1等星比6等星大約亮100倍，也就是說，星等每相差1等，其亮度之比約等于2.512。即1等星比2等星亮2.512倍；2等星比3等星亮2.512倍……根據(jù)這一關(guān)系，普森建立了星等和亮度關(guān)系的公式。設(shè)兩顆星的亮度分別為E₁和E₂，則它們的星等m₁與m₂之差為：

m₁-m₂=-2.51g（E₁/E₂）

此星等對(duì)應(yīng)著天體的視亮度，所以叫視星等。

建立了新的星等標(biāo)度后，星等的范圍也向兩端延伸了，比1等星亮的有0等星和負(fù)的星等，比如天狼星為-1.46等，太陽的視星等為-26.7等，滿月的視星等為-12.7等（表2.5.1）。

表2.5.1　天體的視星等

①行星給出的是最亮?xí)r的視星等。

二、恒星的光度與絕對(duì)星等

恒星的視星等是指我們所看到的星的亮度（實(shí)際是接收到的星光的照度），由于恒星與我們的距離各不相同，所以視星等不能客觀地反映恒星真正的發(fā)光強(qiáng)度。表征恒星發(fā)光強(qiáng)度的量稱為光度，它定義為恒星每秒發(fā)出的總輻射能量；與光度有關(guān)的星等稱絕對(duì)星等，以M表示。

定義天體的絕對(duì)星等是在10秒差距（1秒差距≈3.26光年）遠(yuǎn)處的視星等，即所有恒星都放在10秒差距處來比較它們的光度。設(shè)某星與地球的距離為r秒差距，亮度為E，視星等為m，10秒差距處它的亮度為E₁₀，絕對(duì)星等為M；由于星光的亮度E與距離r的平方成反比，則有：

天文學(xué)家把m-M叫做距離模數(shù)。由上式可以看出絕對(duì)星等M與距離r和視星等m的關(guān)系。

天文學(xué)家常用太陽的光度作為度量恒星光度的單位。若以M_⊙和M分別表示太陽與某恒星的絕對(duì)星等，L_⊙和L分別表示太陽與某恒星的光速，則該恒星與太陽的絕對(duì)星等之差為：

M-M_⊙=-2.5lg（L/L_⊙）

令L_⊙=1，則有

lgL=-0.4（M-M_⊙）

太陽的目視絕對(duì)星等M_⊙為+4.83等，如果知道了某恒星的絕對(duì)星等M，即可求出其光度L。

天文學(xué)家稱光度大的星為巨星、超巨星，光度小的星為矮星。在恒星世界里，光芒萬丈的太陽不過是一個(gè)矮星。恒星世界豐富多彩，一些超巨星如天津四，它的絕對(duì)星等大約為-7.2等，其光度比太陽強(qiáng)6萬倍。而光度小的矮星如天狼星的伴星，它的絕對(duì)星等為11.5等，光度不及太陽的萬分之一。

三、恒星的顏色、溫度和色指數(shù)

古人很早就注意到恒星的顏色各不相同。如心宿二取名為“大火”，即指它是火紅色；又如天狼星為白色，參宿四為黃色，參宿五為藍(lán)色等。為什么恒星會(huì)有不同的顏色呢？我們生活中有這樣的體會(huì)，火爐里的煤火剛開始燃燒時(shí)看上去是紅色的，隨著爐火溫度逐漸升高，火焰變?yōu)辄S色，隨后是白色，最旺時(shí)變?yōu)樗{(lán)色。熾熱發(fā)光的天體呈現(xiàn)為不同的顏色也是由于它們的表面溫度不同。例如，紅色的心宿二表面溫度大約是3000K；太陽是黃色的，表面溫度約5600K；白色的織女星表面溫度約10000K。有些天體發(fā)射不可見的光，溫度也可能很高，如致命的中子星發(fā)射大量的X射線，其表面溫度高達(dá)1500 萬K。

不同溫度的恒星顏色不同，是因?yàn)闇囟仍礁?，能量的峰值越趨向波長(zhǎng)短（紫色）的位置，反之趨向波長(zhǎng)長(zhǎng)（紅色）的位置。因此，當(dāng)我們通過不同顏色的濾光片來觀測(cè)同一天體時(shí)，得到的星等（亮度）就不同，因而這兩個(gè)星等的差值就反映了它溫度的大小，天文學(xué)家稱不同顏色的星等差為色指數(shù)。

國(guó)際上現(xiàn)通常使用UBV三色星等系統(tǒng)，它是美國(guó)天文學(xué)家瓊森和摩根于1953年提出來的。采用這一系統(tǒng)要求使用鍍鋁的反射望遠(yuǎn)鏡，并采用美國(guó)生產(chǎn)的1P21型光點(diǎn)倍增管及以下三色濾光片：

U系統(tǒng)：UG1濾光片+WG335濾光片，對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為370納米。

V系統(tǒng)：OG515濾光片，對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為550納米。

由此可測(cè)定星等V（視星等）和色指數(shù)（B-V）及（U-B），進(jìn)而可求得恒星表面溫度。

四、恒星的光譜及其分類

在19世紀(jì)中葉以前，人們要想知道恒星的物理、化學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)直是不可能的，因?yàn)樾枪鈱?shí)在是太微弱了。然而，19世紀(jì)中葉以后，隨著天體分光術(shù)與照相術(shù)發(fā)明成功，天文學(xué)家通過天文望遠(yuǎn)鏡和分光鏡將恒星光分解成光譜并拍攝下來進(jìn)行研究，則開創(chuàng)了研究恒星物理化學(xué)性質(zhì)的新紀(jì)元，從此誕生了天體物理學(xué)，它成為現(xiàn)代天文學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。

圖2.5.1　棱鏡光譜儀的分光原理圖

1．恒星光譜的哈佛分類

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，正常恒星的光球光譜是由連續(xù)的譜帶上疊加有吸收線（暗線或稱明線）組成的，而不同類恒星光譜的譜線數(shù)目、分布、形狀和彈度等均不相同。恒星光譜存在譜線最初是于1814年由德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)在觀測(cè)太陽光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)的，約半個(gè)世紀(jì)后（1859年），德國(guó)化學(xué)家本生和物理學(xué)家基爾霍夫終于弄清，恒星光譜譜線形成的原理是：每一種化學(xué)元素在加熱到白熾時(shí)都會(huì)產(chǎn)生自己特有的光譜；熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出連續(xù)光譜，金屬的蒸汽和稀薄氣體發(fā)出某些單獨(dú)的明亮譜線（發(fā)射線），各條譜線對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光；每種元素可以吸收它能夠發(fā)射的光線，即當(dāng)發(fā)射連續(xù)光譜的光穿過溫度較低的氣體時(shí)，低溫氣體原子會(huì)吸收它高溫時(shí)所能發(fā)射的光線，從而在連續(xù)光譜的背景上相應(yīng)波長(zhǎng)處出現(xiàn)暗黑的吸收線，即吸收線的波長(zhǎng)正好與該元素發(fā)出的亮線波長(zhǎng)相同。因此，人們可以通過恒星的光譜來了解恒星的物理、化學(xué)性質(zhì)。

為了揭開恒星的秘密，天文學(xué)家對(duì)恒星光譜進(jìn)行了大量的研究。1918—1924年，哈佛大學(xué)的天文學(xué)家發(fā)表了全天亮于8.5等的50萬顆星的光譜分類結(jié)果，稱為哈佛分類。其分類的光譜型系列為：

其中的每個(gè)光譜型又分為10個(gè)次型，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如O1，G2，等等。從O型到M型，恒星的溫度由高到低（表2.5.2）。光譜型為O-B的星稱為早型星，F(xiàn)-K及分支S、R、N型的星稱為晚型星。

表2.5.2　恒星的光譜型與其溫度、顏色之間的關(guān)系

哈佛分類的主要原則是依據(jù)恒星光譜中的一些譜線的強(qiáng)度之比，例如對(duì)于O、B及A型星，主要按照光譜的電離和中性氫線、氦線的強(qiáng)弱來分類；而對(duì)于K和M等型星則主要看金屬線和分子帶的強(qiáng)弱程度（圖2.5.2）。恒星光譜中的電離和中性金屬線的強(qiáng)弱主要取決于溫度，因此哈佛分類序列是一個(gè)溫度序列，即一元分類法。這里的溫度都是恒星表面（光球?qū)樱┑臏囟?，恒星?nèi)部的溫度不能直接觀測(cè)，只能通過理論分析得到。

圖2.5.2　恒星的光譜分類

2.光譜—光度圖

本世紀(jì)初，丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國(guó)天文學(xué)家羅素，根據(jù)恒星的光譜型和光度的關(guān)系建立起了著名的光譜—光度圖（圖2.5.3），也稱赫—羅圖（或H—R圖）。此圖的橫坐標(biāo)一般用光譜型表示，也有的采用色指數(shù)或溫度；縱坐標(biāo)用光度或絕對(duì)星等表示。

3.恒星的MK分類

赫—羅圖告訴我們，對(duì)恒星分類不僅要根據(jù)光譜，還應(yīng)考慮光度，因?yàn)橥还庾V型的恒星又有光度大的巨星與光度小的矮星之分。

20世紀(jì)40年代，天文學(xué)家摩根和基南創(chuàng)立了恒星的MK分類。它是二元分類法，即按光譜與光度兩個(gè)參量為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)恒星進(jìn)行分類。它把恒星的光度分為七個(gè)等級(jí)，并用羅馬數(shù)字Ⅰ～Ⅶ來表示。Ⅰa代表最亮的超巨星，Ⅰab表示亮超巨星，Ⅰb表示亮度較低的超巨星；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ分別表示亮巨星、巨星、亞巨星、主序星（矮星）、亞矮星和白矮星。由此可把光譜型與光度型結(jié)合起來描述一個(gè)恒星的光譜特性。例如，太陽為G2V，表示它是光譜型為G2的主序星，這樣就可對(duì)恒星的情況有個(gè)大致的了解。

圖2.5.3　赫—羅（H—R）圖

（縱坐標(biāo)為恒星的光度，以太陽的光度為單位；橫坐標(biāo)為恒星的溫度與相應(yīng)的光譜型，圖中11萬顆恒星的位置是根據(jù)依巴谷衛(wèi)星測(cè)量的參數(shù)點(diǎn)出的，大部分恒星處于圖中的對(duì)角線上，稱為主序星）