什么是变星？这种恒星的亮度为何为出现周期性的变化？

变星（variable star）是指亮度与电磁辐射不稳定的，经常变化并且伴随着其他物理变化的恒星。

当我们仰望夜空中的星星，我们一般认为这些恒星的亮度是相对稳定的，以几十亿年如一日的速度燃烧着它们的核燃料。只有在生命的最后阶段，恒星外观才会发生改变，成为红巨星，最终结束其生命。

然而对于许多恒星来说，“变”是他们正常生命的一部分。欧洲航天局（European Space Agency）用壮观的方式展示了一颗著名的变星船尾座RS（RS Puppis），它的亮度随时间而变化，并在周围物质的反射光中表现出了这种神奇的变化。

那么什么是变星？它的亮度是如何变化的？我们可以从三种不同的视角来回答这个问题，包括：历史视角，科学视角，还是物理视角。

从历史上看

自古以来，人们就认为天上的星星是一个固定的光点。偶尔会出现像新星或超新星这样的灾难性事件，产生一个暂时变亮的物体，但这种情况并不常见，在人类历史上只发生过少数几次肉眼可见的超新星事件。

1596年的8月，大卫·法布里修斯发现了一颗突然变亮的恒星，在10月底这颗变亮的恒星就完全从视野中消失了，起初他认为这是一颗新星。但奇怪的是，这个光点在1609年同一位置再次出现了，而新星和超新星以前从来没有在变暗后，这么短时间内还能再次出现；所以法布里修斯发现的这颗变亮的恒星根本就不是一颗新星，而是第一颗人类历史上发现的，在本质上亮度可变的刍藁变星或米拉变星。

但当时的科学条件根本无法研究这样罕见的天文现象，它不仅出现的少，而且也很难观察到。

所以变星一开始被人们认为在宇宙中极其罕见，因为人们近两个世纪的搜寻才找到了10颗这样的恒星，但是随着科学技术、以及天体摄影技术的发展，变星就变得不在那么神秘了，发现的数量也大幅增加。

1893年，亨丽埃塔·莱维特来到哈佛大学天文台工作，并开始着手对变星进行研究，到1913年，她在小麦哲伦星云中就发现了大约1000多颗不变性。

通过仔细研究，莱维特发现，这些变星有一些特殊的性质，例如：平均亮度最高的变星，其光度变化的周期也最长，也就是完成一个脉冲周期需要更多的时间（从最暗到最亮，再从最亮变为最暗）。

最亮的变星的变化周期一般为几个月，亮度降低时，变化周期也会随之缩短，最暗的变星在一天内都可以完成一个脉冲周期。

根据以上的性质，莱维特发现造父变星的平均亮度和脉冲周期存在着明确的关系。

这种相关性就是我们今天常说的周光关系，这一重大发现给宇宙学的发展带来的不可估量的影响。下面我们就说下，对变星的理解在科学上的作用和意义。

科学上的作用和意义

莱维特调查的这些变星都在小麦哲伦星云中。而小麦哲伦星云距离地球足有19.9万光年，但它的尺寸只有7000光年左右，由于尺寸很小，因此我们就认为所有的这些变星与地球的距离大致相同。而表观亮度的差异也就对应于变星内禀亮度的差异，所以我们就可以根据距离与亮度之间的关系，算出变星内禀亮度和周期之间的关系。

知道这一点，下次我们在其他星系中发现了变星，只需测量变星亮度的变化周期，就可以知道这颗变星实际上有多量，再测量出变星的在视觉上看起来有多亮，然后再根据光度和距离之间的衰减关系，就可以算出这颗变星实际上离我们有多远。

我们现在称这些可以测量距离的物体为标准烛光，也就是说，我们只要知道一根蜡烛本身有多亮，然后再测量它看起来有多亮，就可以知道这根蜡烛离我们的距离是多少。

掌握了造父变星的周光关系，我们就拥有了一根标准蜡烛。这样我们就能用它来测量宇宙中的星系离我们的距离，埃德温·哈勃在上个世纪的20年代就是利用变星测量出了螺旋星云实际上是离我们非常遥远的独立星系，我们人类这才了解到宇宙原来不仅仅是银河系，还存在着大量的类似于银河系的星星岛屿。

在宇宙中有许多类型的变星，种类繁多，它们的颜色和亮度变化极大。除了莱维特发现的造父变星之外，还有质量较低和周期较短的天琴座RR型变星、红巨星变星（比如Mira）、不断跳动的白矮星和许多其他的一些变星。

但最重要的是，这些变星的周期变化在宇宙中很容易被观察到，而且周期和它们的绝对亮度之间有非常明确的关联，因此变星是宇宙距离阶梯中最重要的组成部分之一。

当然我们在近距离上还有测量距离更好的办法，就是我们最早掌握的视差法，即在一年中地球绕太阳公转时，恒星在天空中位置的变化来确定恒星的距离，但这种方法只适用于距离为1600光年的恒星。

所以在距地球1600光年的范围内，我们一般用视差测量，但在更远的距离上我们利用变星，测量的距已经超过了1亿光年！

通过观察这些变星的亮度如何随时间发生变化，也就是它们的变化周期有多长，然后在识别出我们所观察到的变星是哪一种类型的变星，我们就可以确定银河系之外数亿光年之外天体的距离。

那么，最后一个问题就是，这些恒星的光度为何会变化？而且还呈现出了稳定的周期性，

物理学的原因

恒星光度发生变化，我们一般会认为是核心的核聚变速率发生了变化，然后这些变化传播到了表面才引起的恒星光度周期性变化。但是这种情况基本上不可能，首先就算恒星的核心聚变速率在波动，但是要想在光度上造成影响，这个周期至少的几十万年，因为一个典型的光子自诞生开始想要传播到恒星表面至少得约10万年的时间。

还有恒星在其生命周期内，核心聚变的速率是会变化，但这发生在很大的时间尺度上，并不会发生短周期的波动。其实，各种类型的变星其核心聚变速率都是稳定，但不相同的。

而想要解释变星周期波动的原因，我们需要看恒星的最外层。

恒星的最外层就是光球层，光子离开光球层以后就永久脱离了恒星，但光球层是一个比较特别的地方。对于那些不是变星的恒星来说，光球层相对来说是比较稳定的。也就是说，在光球层向外推动离子的辐射压力和引力相互平衡，两个力相互抵消。太阳就是这样的近似情况，但也不是说就完美的平衡。

在太阳的最外层，辐射压力和引力也在互相对抗，你推我拉，导致物质在这两股力量的平衡之间发生升降，所以任何恒星的最外层都会发生下面的循环过程：

• 辐射压力在某个点变的太大，战胜了引力，于是就导致了恒星外城发生膨胀，

• 当外城的物质远离恒星中心时，引力就会下降，但辐射压力提供的推力会下降的比引力还要快，

• 所以外城在膨胀到一个点后，引力又战胜了辐射压力把物质往回拉。

• 引力回拉的过程，又会导致恒星外层的物质向内收缩，

• 然后，辐射压力又开始上升，当增加到某一点时，又开始向外推动恒星外城，接下来就是循环往复！

对于太阳来说，它的亮度变化强度大约是0.1%。

但是对于变星来说，它们的亮度和半径可以发生巨大的变化，比如90%甚至更多！半径通常会变化数百万公里，温度变化数千度！

这就是变星发现的历史，在宇宙学上应用和它光度变化的原因。其实对于正常的恒星来说，如果我们观察得足够精确，就会发现每颗恒星的亮度都会经历这样周期性的变化。就像这个宇宙中的许多事物一样，唯一不变的就是变化。