造父变星

造父变星 什么是“造父变星”？

造父变星是生命即将终结的巨大恒星。

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造父变星的作用是什么原因导致造父变星的亮度有规律变化的？

造父变星就像是宇宙中的灯塔，为我们指明了遥远星系的距离。

下面我将通过历史（如何发现），科学（光周关系，有什么用）和物理（光度为何会变）三个方面回答这个问题。

历史——变星是如何被发现的古时候，人们一直认为天上的星星是固定的光点。

偶尔会出现像新星或超新星这样的灾难性事件，天空中会出现一个暂时变亮的天体，但这非常罕见，在人类历史上只有少数的那么几次有关超新星的记载。

虽然绝大多数恒星在天空中的位置和亮度似乎是不变的，但并非所有的恒星都是如此。

1596年，大卫·法比利萨斯看到了一颗光度明显变亮的天体，他一开始认识是新星，因为他看到一个光点在8月的时候在天空中变亮，然后在10月底完全从视野中消失。

但令他惊奇的是，1609年这个光点再次出现。

大卫·法比利萨斯发现的根本不是一颗新星，而是鲸鱼座中的蒭藁增二（chú gǎo），距离地球418光年，第一颗本质上亮度可变的恒星！变星原本被认为在天空中是极其罕见，因为人们花了近两个世纪才最终确定了10颗变星，但随着天体摄影技术的发展，人们发现的变星数量激增。

通过直接比较一颗变星在数天、数周、数月甚至数年期间的表观亮度，可以相当准确地测量其变化量和变化周期。

19世纪90年代初，一位名叫亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）的年轻女子加入了女子大学教育协会（Society for the Collegiate Instruction for Women），即现在的拉德克里夫学院（Radcliffe College）。

1893年，她受聘于哈佛大学天文台，从天文台收集的摄影底片中测量和记录恒星的亮度。

她对小麦哲伦星云中发现的恒星进行了分类，在接下来的20年里，她发现了超过1000个变星，并将它们分类为许多不同种类的变量恒星。

莱维特注意到有一个特殊类型的恒星（造父变星）显示出了很强的规律性。

当莱维特观察了25颗最亮的造父变星时，发现这些比较量的变星完成一次变化周期需要很长的时间：到达最大亮度，变暗，然后再次回到最大亮度。

就视觉强度而言，所有恒星的亮度变化幅度大致相同，但平均亮度最高的恒星需要几个月的时间才能从亮到暗再到亮。

莱维特发现：恒星的平均亮度降低，变化周期也会降低；一颗恒星越暗，其亮度变化就越快，最小的变化周期只有一天多一点。

所以造父变星的平均亮度和变化周期之间存在明确的相关性。

这一关系在今天被称为周期-光度关系，这一发现带来了一些巨大的影响。

下面就从科学的角度说这个问题。

科学——造父变星被用来做什么莱维特的调查发现，这些变星都是距离我们相当远的恒星，大约199000光年，而包含这些恒星的星系，其物理尺寸只有7000光年左右。

因此，我们就认为小麦哲伦星云中的所有恒星与地球的距离大致相同，恒星亮度的差异对应于这些恒星本身的亮度差异。

如果一颗恒星的周期和它的光度有关系，这意味着如果我们能测量造父变星的周期，我们就会知道这颗变星本质上有多亮。

然后我们测量变星的表观亮度（看起来有多亮），根据亮度和距离之间的关系，我们就能算出这颗恒星实际上离我们有多远。

我们现在把这些变星称为标准烛光，因为如果你知道一个发光的物体本质上有多亮，然后你测量它的表观亮度，你就能知道它离你有多远。

由于亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）对造父变星的研究，我们有了一根标准的蜡烛来测量整个宇宙的巨大距离，由于埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在20世纪20年代对螺旋状星云中出现的变星的发现和测量，我们才能够理解这些遥远的星系究竟离我们有多远。

在大多数情况下，这些天体的易观测周期和它们的亮度之间存在着非常明确的相关性，这意味着如果我们在宇宙中任何地方发现并识别一个变星，我们就可以非常精确地知道它离我们有多远！就科学而言，这是宇宙距离阶梯中最重要的部分之一。

现在我们知道了变星是怎样被发现的，也知道了它是用来做什么的。

接下来就了解下是什么 导致了变星的亮度会发生周期性变化的？物理，是什么导致了变星的亮度会发生周期性的变化第一时间我们可能会想到是不是恒星的核心出现了问题，因为核心中的核聚变是恒星发光发热的原因，或者光子传播到表面的速率在变化，导致了变星的周期性脉动。

这非常不可能，因为一个典型的光子从核心产生并到达恒星表面的时间大约是10万年，在这段时间里一个光子会经历数万亿次的碰撞！事实上，所有已知类型的变星其核聚变的速率在很长一段时间内是保持不变的。

但它们各不相同！相反，这些恒星光度的可变性可以通过恒星最外层的活动来解释。

从物理学的角度来看，恒星的光球层（也就是光子永远离开恒星前的最后一个点）是一个非常特殊的地方。

对于一颗完全稳定的恒星来说，光球层会随着时间保持完全稳定，这意味着将粒子推到表面的辐射压力会被引力完全抵消。

太阳的光球层就是这样的近似值，但即使是像太阳这样稳定恒星也不是完美平衡的。

太阳的最外层也会经历对流，在光球层也会发生物质的升降。

在这样的系统中，永远不会真正达到平衡，最外层会经历这样一个循环:辐射压力太大，导致恒星膨胀，当外层远离恒星中心时，引力下降，但辐射压力下降得更快，这时引力对外层施加的力大于辐射压力对外层施加的力，然后外层向内加速，导致恒星收缩，当辐射压力上升到一定程度，又开始向外推，导致外层一直经历这样的重复循环！对我们的太阳来说，随着时间的推移，光度的变化约为0.1%。

对于一个变星来说，它们的亮度和半径可能会发生巨大的变化，对于像蒭藁增二这样的恒星来说，它的固有亮度在一个周期内会变化约一千倍，而半径通常会变化数百万公里，温度也会变化数千度！这就是造父变星的故事，它们是如何被发现的，被用来做什么，以及它们的光度为何会周期性变化。

造父变星是变星的一种，所谓的变星是指光亮度具有周期性变化的一种天体，而造父变星则是变星中比较有名的一种，同时，造父变星也是测量天体距离的量天尺。

最典型的造父变星，也是最早发现的是仙王座δ，这颗星中文名称叫做造父一，因此我们管这类天体叫做造父变星，其外文名称是Cepheid variable star。

在1784年荷兰天文学家约翰-古德利发现了它的光变现象，后来测得其光变周期为5天8小时47分28秒，这是一个非常准确的变光周期，到了1912年哈佛天文台的勒维特发现了这种变星的周期-光度关系，进而可以通过这种变光关系计算出天体的距离。

那么，造父变星为什么会具有规律性的变光周期呢？根据长期的观测，天文学家确认了造父变星的变光原因，并建立了模型。

原来，其光度变化主要来自表面温度的变化，且与半径的变化位相相反，即半径最大时光度最小，半径最小时光度最大。

当恒星演化到一定阶段时，内部氢氦元素的比例出现变化，核心温度也越来越高，这时聚变反应开始由单一的氢聚变向部分氦聚变转化，于是出现不稳定性，引力和辐射压力会失去平衡，这样外部包层会出现周期性的膨胀和收缩，从宏观看起来，就会呈现出恒星表面的一种脉动现象。

当恒星半径变大时，内部压力减小，输出能量变小，于是光度下降。

引力作用下便开始收缩，但收缩到一定程度，内部压力又增大，于是能量输出加大，广度增加，于是又开始膨胀。

就是这么一种循环，造成了造父变星的广度周期性变化。