【知道SET】“丈量宇宙的尺子”— 造父变星

本集主题：“丈量宇宙的尺子”— 造父变星

撰稿人：孙旭东

播讲：邱文俊（毕业于云南大学物理与天文学院）

1.丈量宇宙的尺子

每当仰望璀璨的星空，总会不由得赞叹。看着这些闪烁的光芒，不禁让人想问：这些星星离我们有多远呢？这些光是多久前发出的呢？

离我们最近的恒星是太阳，利用金星凌日法，我们可以很简单的测量地球离太阳的距离。若其他天体与太阳全同，那么根据我们在地球上观察到的天体亮度就可以得知天体与我们的距离了。

（2012年6月6日金星凌日示意图，图片来源：百度百科）

但实际情况并没有这么简单，我们不能把其他天体简单的与太阳全同处理。更何况面对遥远的星系这种方法显然就失效了，而造父变星这一类特殊的天体作为第一代“标准烛光”成为了人类一把丈量宇宙的尺子。

2. 勒维特定律

提到造父变星，就不得不认识女天文学家：勒维特(H·Leavitt)。

她，发现了造父变星的“周光关系”即：造父变星的绝对星等与它们的光变周期成正比，这也被称作“勒维特定律”。

我们可以把造父变星作为“标准烛光”，变成一把可以丈量宇宙的尺子。原理很简单，设想有一支蜡烛并测量一定已知距离蜡烛的亮度。当蜡烛离我们越远，我们测得的亮度越小。根据“亮度与距离的平方成反比”这个简单的关系便能确定蜡烛与我们的距离。

于是只要知道已知距离上的造父变星的绝对星等，那么对星星的测距就会变成只需要测量造父变星的光度变化周期即可。 勒维特的发现是人类历史上发现的第一种标准烛光，1914年，美国天文学家沙普利进一步发现这类变星的光变周期性变化并不是双星运动造成的而是半径周期变化造成的。

3.那么为什么星星会有这样的脉动呢？

原来这类变星是一类恒星的一种演化阶段，我们可以通过想象来感性的理解这一过程。我们可以把脉动变星外层大气看作一个特殊的罩子，当温度升高罩子会不透明，温度下降会变得透明。而脉动变星就像是被这样的罩子包裹的气球，气球的内部有一个电灯泡类比变星内部剧烈的核反应所产生的光和热。

就像受热的气球一样，造父变星会逐渐膨胀，当膨胀到一定程度包裹在外面的罩子温度下降，其透明度上升，内部的光和热释放出来，气球就会温度下降而收缩，包裹在外面的罩子又不透明起来。以此循环，在这个过程中变星的光度也随着周期性变化，直至这类恒星进入新的演化阶段。

最后我们值得强调，从提出太阳乃至其他星系距我们有多远这一看似可以轻松解答的问题开始，科学家通过深入的探索，以及天文观测的发展，我们得到了含造父变星的星系或星系团与我们的距离。造父变星是我们第一代有力“量天尺”。

为什么要去测量呢？曾经，当我们以为地球是宇宙中心的时候，观测告诉我们地球是围绕太阳运动的，并总结得到开普勒定律，这一运动更深刻的被牛顿定律所揭示。后来我们又认为太阳是宇宙的中心。而测量远处的星星，使得我们发现我们的太阳不仅不是宇宙的中心，所处的位置也只是银河系的一角，而银河系更是宇宙中千万亿星系的普通一员。通过对宇宙的观测，我们打开了现代宇宙学的大门。

4.内容参考

《科学史上的今天：勒维特，一支照亮宇宙的烛火》作者：王爽

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