【知道SET】星辉斑斓的宇宙

本集主题：星辉斑斓的宇宙

主讲人：刘德子

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

一首童谣唱到“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星 …”。小时候，老家里，每当夏夜星光清澈之时，总不禁抬头仰望许久：满天星辉闪烁，明暗交错。彼时对星空满了好奇憧憬。

后来才知我们肉眼所见的星星绝大多数是来自银河系内的恒星，而我们看到的星辉闪烁则是由于地球大气的温度和密度扰动引起的。但如果没有地球大气的影响，星星还会闪烁吗？答案是肯定的！并且，最早关于恒星光变的记录可追溯至3200年以前的古代埃及，后来的天文观测证实当时记录的那颗恒星其实是一个交食双星系统，即由两颗相互绕转的恒星构成的系统。而中国古代也记录了数颗恒星演化晚期所发生的超新星爆发事件，如北宋年间，即公元1054年，司天监官员记录下一颗超新星的爆发，该超新星的爆发遗迹便是我们今天所周知的蟹状星云。

现代天文学观测发现，大部分恒星的亮度都会随时间发生变化。而导致其光变的物理起因却不尽相同。比如，对于交食双星而言，其亮度变化是由于两颗恒星相互绕转遮挡造成的；而单个恒星本身的脉动、局部的剧烈扰动也会导致其亮度发生变化。根据恒星的物理化学性质，这类变星可分为造父变星、天琴座RR型变星等不同类型。恒星演化晚期的爆发会产生剧烈的亮度变化，我们刚刚提到的超新星爆发便是其中最为显著的例子，其爆发后的峰值亮度甚至可比太阳亮数十亿倍。

除了银河系之外，宇宙中还分布着数千亿，甚至可能万亿个星系，而每个星系都包含数目繁多的恒星。目前人们普遍认为，星系的中心还存在一个超大质量黑洞。在这众多的星系中，不仅恒星会发生光变，其他极端物理环境下也会有光变现象的发生。例如，宇宙中有很大一部分星系的中心黑洞长期处于活跃状态，天文学家通常称其为活动星系核(AGN)，黑洞的活动导致其周围介质产生的辐射不断发生变化。

观测发现，这些活动星系核的亮度存在非周期性的随机变化。其变化的幅度和时标对于研究黑洞及周围环境的物理性质以及辐射机制具有重要意义。而在一些偶发情况下，当一颗恒星不断靠近星系中心的黑洞时，黑洞所产生的强引力场会撕碎整颗恒星，我们称这类现象为潮汐瓦解事件(TDE)。在中心黑洞的作用下，这些事件会产生强烈的辐射，并在一个月左右的时间内亮度达到峰值，随后逐渐变暗。潮汐瓦解事件虽然属于偶发现象，但对该类事件的观测研究对我们理解星系中心黑洞的性质极为重要。到目前为止，我们已经观测到百余例疑似潮汐瓦解事件，但其中很多尚不能完全确定。

我们通常所看到的天体的光变是其在光学波段产生的，这也是我们肉眼所能够看到的波段范围。实际上，借助现代天文仪器的发展，我们已经能够在不同电磁波段研究天体的光变现象。越来越多的观测发现，很多天体的爆发现象会发生在X射线或射电波段，并且有些是我们用光学望远镜难以探测到的。如快速射电爆(FRB)，其是在射电波段产生的高能爆发事件，持续时间通常仅有几毫秒。迄今为止，天文学家已经利用射电望远镜观测到许多快速射电爆事件，但尚未探测到其光学对应体。而对于其物理起源，仍有许多未知待解。

除了电磁辐射之外，根据爱因斯坦广义相对论的预言，天体还能够产生引力波辐射。通常情况下，天体的引力波辐射极其微弱，以现在的技术很难探测。但是，在一些极端物理条件下，天体会在瞬间产生强烈的引力波辐射。2016年2月11日，LIGO和Virgo团队共同宣布发现了第一例引力波事件，该事件发生于2015年9月14日，是由一个双黑洞系统并和所产生。整个事件持续时间仅有0.2秒。可惜的是，当时我们并没有及时在电磁波段对其进行后随观测。2017年8月17日，LIGO和Virgo又发现了一例由两颗中子星并和所产生的引力波事件，随后天文学家利用不同电磁波段的望远镜对其展开后随观测，并获得了其详细的电磁辐射信息。

正如我们所提及的，不同天体的光变特征是由其背后的物理性质所决定的。因此，对不同光变现象的观测能够帮助我们更深入地研究天体自身及其所处环境的性质。与此同时，天体的光变特性也可以应用于宇宙学大尺度的研究中。

例如，一些周期性的变星(如造父变星)存在很好的周期—光度关系，而天体的光度与我们所看到的该天体的亮度之间满足距离平方反比的关系，因此，我们可以通过观测这类周期变星来测量近邻星系与我们之间的距离。在更大的尺度上，我们则可以使用作为“标准烛光”的Ia型超新星来测量更加遥远的星系的距离。也正是通过对Ia型超新星的研究，Riess和Perlmutter分别带领的两个团队于上个世纪末发现我们的宇宙正处于加速膨胀阶段，他们也因此被授予2011年诺贝尔物理学奖。

每当仰望星空之时，我们惊叹于其深其秘。看似静谧的夜空中，无时无刻不在呈现着色彩纷呈的星辉闪烁。我想，若我们能有一双可以看到所有这些现象的眼睛，我们一定会更加折服于宇宙的奇妙。或许，这也是我们头顶这片广袤星空的魅力所在。何其渺小的我们，却能够思考其中的秘密。

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