天文史上的今天 | 一颗改变历史的变星

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1923年10月5日，哈勃在仙女座星系边缘找到一颗造父变星，这颗变星的发现和后续的研究，极大的改变了人类对于宇宙的认识。

将近100年后，以哈勃命名的哈勃空间望远镜对当年哈勃所观测的仙女座星系V1变星进行了观测，作为对1923年10月5日那场里程碑式观测工作的纪念

来源：NASA

宇宙有多大？

先不要急着回答这个问题。大约100多年前，一位当时顶尖的天文学家在著名的《科学美国人》杂志发表了一篇文章，讲述这个问题的答案。这在当时是相当权威的解答。

但是，从今天的眼光看，这篇文章的所有观点几乎全都是错误的。人类对于这个问题的认识进展，可能比我们很多人想象的更加艰难。我们之前专门提到过1920年4月份举行的那场著名的大辩论。也就是说，一直到20世纪20年代，最顶尖的天文学家们仍然持有这样的观点：我们所处的这个星系就是整个宇宙。当时最顶尖的科学家们认为：宇宙就是被无尽的虚空所包围的一群孤独的恒星，就像无垠大海中的一座孤岛，因此宇宙又被称作“岛宇宙”（island universe）。

曾经，我们以为银河系就是整个世界，整个宇宙。但实际上，银河系只是千万亿个星系中的一个

来源：NASA

距离250万光年，这是距离银河系最近的大型河外星系：仙女座大星系，它在我们认识宇宙真正面目的过程中起到过关键性的作用

来源：space.com

多么自大的我们！

今天的我们很清楚，银河系只不过是数以千亿计的大量星系中的一个。甚至我们今天还知道，宇宙极有可能诞生于一次被称作“宇宙大爆炸”的神奇事件之中，时空的弯曲，引力波，元素的诞生，核合成过程，等等。难以想象所有这一切，关于现代宇宙学的认识，几乎都是在过去短短几十年内发生的。

可是，回到1920年代，当时“岛宇宙”的观点仍然根深蒂固，它限制了我们的思维，我们不敢去想象，我们的头脑也很难去理解一个比银河系更加广袤的宇宙的存在。直到1923年10月5日的那个夜晚。

《科学美国人》的一期封面

来源：scientific american

这天夜晚，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在当时所谓的“仙女座星云”中发现了一颗造父变星。我们现在知道那其实是一个距离银河系大约250万光年的巨大的河外星系，不是什么星云。但在当时，科学家们认为它只是位于银河系内部的一个小小“星云”。

而造父变星是一种特殊的恒星，其直径和温度会出现周期性变动，相应的，其亮度会出现周期性改变，这也就是著名的“周光关系”。说的稍微专业一些，周光关系就是指造父变星具有的光变周期和绝对星等之间的关系。1912年，在哈佛大学天文台工作的美国女天文学家勒维特对小麦哲伦星云中的25颗造父变星进行观测。结果发现，它们的光变周期越长，视星等便越大。又由于小麦哲伦云离我们足够遥远，恒星又非常密集，其中每颗恒星到地球的距离都可以看作是近似相同的。因此勒维特认为，这些造父变星的光变周期与视星等的关系可以近似被视作是光变周期与绝对星等的关系。

关于哈勃这个人，你可以记住，他爱抽烟斗，而且，他还是运动员体质...

来源：space.com

勒维特是天文学领域少有的做出重大原创性贡献的女性科学家之一。这是她在哈佛大学天文台工作时候的照片

来源：space.com

勒维特，正面照

来源：wiki

还是没懂？没关系，说的再通俗一些：先从最基本的原理开始说，恒星的亮度可以分为视星等以及绝对星等。视星等就是我们看到的恒星的亮度，而绝对星等就是他们的实际亮度。很显然，如果距离一样近，那么绝对星等越大的恒星视星等也越大。但是事实上，恒星的距离是差异很大的，因此有的恒星很暗，但实际上它的绝对星等可能很亮，反过来，有的恒星视星等很亮，实际上绝对星等并不高，只是因为离得近而已。

造父变星的光变周期和实际亮度（绝对星等）之间存在关联性。勒维特对小麦哲伦星云进行了观测，这个小型星系体积不大，但是距离又足够远，因此我们可以近似将它视作一个点，那么它内部的恒星到地球的距离就可以被近似视作是相同的。

造父变星原理示意图：横坐标是时间，纵坐标是光度。可以看到，由于这种恒星的直径会出现大规模变化，其亮度会随之出现周期性变化

来源：NASA

船尾座RS星，目前已知最明亮的造父变星之一，相应的，其光变周期很长，达到40天左右，亮度差异达到5倍左右

来源：NASA

在这样一个前提下，距离一致，那么看起来更亮（视星等更高）的恒星它的实际亮度（绝对星等）也当然更高。而勒维特正是在这个小星系中观察到很多造父变星，并发现它们看上去的亮度（视星等）与光变周期之间存在对应关系，也就是说：它们的光变周期越长，视星等便越大。而由于距离一致，就可以进一步推断：它们的光变周期越长，其实际亮度（绝对星等）越大，这就是著名的“周光关系”。

而一旦这一关系确立，天文学家便开始将其作为“量天尺”。怎么用？很简单，由于星系都距离非常遥远，可以被近似看做一个“质点”，那么如果在其中发现了一个造父变星，我们就可以根据它的亮度和光变周期来大致推算其距离远近。而1923年10月5日的那个夜晚，哈勃正是在仙女座“星云”中认证出了一个造父变星。

小麦哲伦星云，其实是银河系的一个卫星星系，它会围绕银河系公转

来源：NASA

如果你去过南半球，看看夜空吧。那是北半球看不到的夜空。注意左手边边缘，大麦哲伦星云和小麦哲伦星云清晰可见

来源：ESA

这颗恒星被称作“哈勃变星1号”，编号“V1”，它位于仙女座大星系，也就是M31星系的边缘区域，这颗恒星的亮度周期性的发生改变，就像一座宇宙中的灯塔，它的光芒很暗弱，却照亮了地球上现代宇宙学前进的方向。

正是从这颗小小的恒星开始，站在勒维特工作的基础之上，哈勃的发现确认了仙女座“星云”远在银河系范围之外，这也就意味着宇宙的范围要远比我们之前想象的更加广袤的多。

编者按：

《天文史上的今天》栏目是老严的一次个人历险，试图通过坚持365天，完整记录一年中每一个日子在人类漫长的天文历史中留下的印记。

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