聋哑少年和造父变星

恒星自行的发现，彻底清除了恒星“永世不变”这样一种宇宙静止的观念。另一方面，恒星这个词儿，原先也包含着其亮度一成不变的意思。随着近代天文学的发展，这种偏见最终也烟消云散了。

古人很早就注意到一种罕见的天象：天空中突然会冒出一颗“新的”星星来。其实，这种所谓的“新星”并不是新诞生的恒星，相反，它们倒是恒星年老的象征。一个世纪以来，研究恒星如何度过其一生，即恒星如何“生长老死”（更科学的说法叫作恒星的演化）取得了巨大的进展，人们才明白了这一点。

实际上，新星本来是一些暗弱的星星，往常人们看不见它；或者，它隐匿在满天繁星之间而未惹人注意。但是，忽然间它爆发了，抛射出大量物质，这时它的亮度突然增大成百上千倍乃至几百万倍，平均说来约增亮11个星等，即几万倍。于是，人们发现了它，以为在那儿突然出现了一颗新的恒星，“新星”这个名称正是这样来的。

爆发规模比新星更大的另一类恒星，被称为“超新星”。它们爆发时可以增亮17个星等以上，即增亮千万倍乃至上亿倍。超新星是恒星世界中已知的最激烈的爆发过程。它爆发时放出的能量，可抵得上千万个到百亿个太阳的能量；也就是说，一颗爆发中的超新星的发光能力几乎可以与其所在的整个星系相当。当然，超新星现象要比新星更为罕见。

我国有着世界上最早的新星记录。《汉书》上的汉武帝“元光元年六月客星见于房”，是世界上第一条有关新星的文献记载。“客星”指新星，有时也指超新星、彗星，好像天空中突然来了一位不速之客；“房”指房宿，是二十八宿之一；这颗新星出现的时间是汉武帝元光元年，即公元前134年。

毫无疑问，新星和超新星一定增添了古代人研究星空的兴趣。利用新星和超新星测定星系的距离颇有妙处，后文中还会谈到这一点。除此而外，在长达几十个世纪的岁月中，似乎没有哪一位天文学家想到满天恒星的亮度还会有什么变化。

直到公元1596年，才有一位德国人法布里修斯（David Fabricius，1564—1617）明确地认识了第一颗“变星”。变星，通常是指那些在不太长的时间（例如几小时到几年）内亮度便有可察觉的变化（例如几分之一个星等到几个星等）的恒星。

这位法布里修斯是第谷和开普勒的朋友，是最先使用望远镜从事天文研究的人之一。不过，他发现第一颗变星却是在望远镜发明之前的事情。1596年10月，他注意到鲸鱼座里原先有一颗3等星变得看不见了。这颗星在中国古代名叫“蒭藁⁽¹⁾增二”，国际通用的名字是鲸鱼ο（希腊字母ο读作奥米克隆）。后来，这颗星又重新出现了。人们最终发现它的亮度变化是周期性的，周期是334天。半个世纪之后，波兰天文学家赫维留（Johannes Hevelius，1611—1687）又给它取了个名字叫“米拉”（Mira），意思是“奇怪”，因此直到今天人们还称它为“鲸鱼怪星”。它的发现者法布里修斯是一位新教牧师，他是一个不幸的人，于1617年被他教区的一个居民谋杀身亡，此人是个贼，法布里修斯曾吓唬要揭发他。

第二颗变星是英仙β，中文名叫大陵五。也许，阿拉伯人早已发现它的亮度明显地起伏波动，所以他们称它为“阿尔戈尔”（Algol）。在阿拉伯语中，这词的意思是“变幻莫测的神灵”，因此大陵五有时也叫作“魔星”（图48）。在1670年和1733年都有人注意到它的亮度变化，然而却一直没人对它进行系统的观测。

图48　“魔星”大陵五在星空中的位置

现在，我们的主角出场了。英国荷兰裔业余天文学家古德里克（John Goodricke，1764—1786）是一个很不平凡的人，他自幼聋哑，只活了22岁，竟然还做出了这项第一流的发现。1782年11月12日夜晚，古德里克观测到大陵五逐渐暗了下去，并发现当它的亮度下降到正常亮度的1/3时，又重新亮了起来，直至复原。面对这种奇怪的现象，这位当时才18岁的少年毫不张皇，他沉着地提出：一定是另有一颗暗得看不见的星星陪伴着大陵五，就像发生日食那样，由于它周期性的遮掩，大陵五的亮度有了周期性的变化。事实证明，古德里克这种大胆的设想是正确的。天文学家们后来又发现许多同样类型的变星，便将它们统称为食变星或大陵型变星。

接下去，还是这位聋哑少年古德里克，又发现了两颗新的变星：仙王δ星和天琴β星。直到1844年，人们认识的变星还只有6颗。然而，以后的发展却很快，20世纪后期所知的变星已经数以万计。

仙王δ星，中国古星名“造父一”。造父是西周时代人，是驾驭马车的能手。周穆王西巡狩猎，就由造父驾驭马车。另外还有一位王良，是春秋时代晋国人，也善于驾车。后来，“王良”也和“造父”一样，被用来作为星官的名字。我们根据图49，不难在天空中找到造父一：首先找到大熊座的北斗七星是很容易的事情，然后沿大熊β到大熊α的方向延长5倍左右就遇到了北极星（小熊α）；在北极星的另一侧，仙王（座）与仙后（座）并列；仙后座的5颗亮星组成一个W形，极易辨认；旁边的仙王座也不难找到，造父一就在它的一个角上。图中同心圆上的数字10°、20°……代表这些圈离开北极星（严格地说是离开北天极）的度数。

图49　北极星附近的星空和造父一的位置。图中的数字10°、20°……代表相应的圆圈离北天极的度数

古德里克发现仙王δ星是一颗变星时才20岁。图50是造父一的亮度随着时间变化的情况，这种曲线名叫“光变曲线”。可以看出，造父一最亮时是3.6等，最暗时是4.3等，亮度的变化达到1.9倍。它从最暗变到最亮，又回复到最暗所需的时间，叫作它的“光变周期”。古德里克确定造父一的光变周期是5.37天，这是一个十分准确的数字。

图50　造父一（仙王δ）的光变曲线

凡是亮度变化的方式与造父一相类似的，也就是光变曲线与造父一的光变曲线相似的变星，都称为“仙王δ型变星”，或称为“第一类造父变星”，有时也直接简称为“造父变星”。它们的光变周期多数在3～50天之间，而以5～6天的为最多。后来查明，造成这类变星光变的原因乃是整个星体在脉动。换句话说，它们的半径在时大时小地变化，整个星体在一胀一缩，有人戏谑地将这比作恒星在喘着粗气。

人们发现的造父变星数目与日俱增。有些造父变星的视亮度比其他造父变星亮，有的则是光变周期特别长。它们之间似乎并没有什么明显的联系。这并不奇怪，因为视亮度与恒星的距离远近以及发光能力两个因素都有关系。假如能把所有的造父变星统统移到同样的距离上再做比较，这时它们的亮度与光变周期是否会表现出某种规律性呢？例如，“体格强壮容光焕发”的那些造父变星，会不会“气喘”得不那么匆促呢？发光能力强（即绝对星等数值较小）的变星，光变周期会不会也长一些？

假如能测出这些造父变星的视差（无论是三角视差还是分光视差都行），我们便可以由它们的视星等推算出绝对星等，并进而研究绝对星等同光变周期之间究竟有没有什么联系。遗憾的是，没有一颗造父变星离我们近得足以测出它的三角视差。离我们最近的造父变星是北极星，就连它的距离也已经超出三角视差法力所能及的范围。同时，造父变星的光谱也与寻常恒星的光谱不一般，所以分光视差法对它们也不适用。

事情的转折点，是在1912年。