§201—1恒星及其自行

在无月的晴夜里，繁星满天，陈了屈指可数的几个行星外，它们都是恒星。人们花费了许多个世纪的时间，才了解到恒星就是一个个遥远的太阳。试想，要把白昼所看到的这个炽热、辉煌和光芒四射的太阳，同暗夜里的点点繁星等同起来，在那个时代，需要有多大的想像力！恒星都是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。它们之所以是炽热的和能够自行发光，是因为它们具有巨大的质量；正是由于恒星的质量巨大，它们在自引力作用下，形成球形或类似球形的天体。

恒星都极其遥远，因而都成为天空中的光点。直到150余年前，才有人测定它们的距离。离我们很近的那颗恒星是半人马座a（中名南门二），其距离是4.22光年①。这个数字的含义是，倘若半人马座a发生一起突发事件，譬如一次大的爆发过程，那么，在那以后的4年多时间里，我们对此事件将一无所知，因为再没有其它途径能使信息比光还快传递到我们这里。当我们极目向太空远眺时，在时间上说，我们是在看过去。我们现在所看到的，都是恒星“过去”的形象。测定恒星的距离，知道它们在哪里？这就向知道恒星是什么迈进了一大步，能够由此知道它的许多情况。其中，有两个非常重要的性质几乎立即就可以获得，这就是该恒星的光度和垂直于我们视线方向的运动速度。

“恒”星的本意是“固定的星”，以区别于行星。所谓“固定”，并非指没有随天穹东升西落的周日运动，而是指它们在天球上的相对位置保持不变。例如，为人们所熟悉的北斗七星，尽管不停地“斗转星移”，却始终保持“斗”的形状不变。但是，恒星彼此间相对位置的不变性，只是近似的。事实上，恒星在空间不断地运动，而且，其速度可高达每秒数百千米，只是由于它们的距离太遥远，短期内不易被察觉而已！

恒星的空间速度，可以分成两个分量，即视向速度和切向速度。前者是 　 　


①光年是天文学上的一种距离单位，是光在一年里在真空中传播的距离。光速每秒近3×105Km，l光年＝

9.5×1012km
沿观测者视线的分量（离观测者远去为正，向观测者接近为负）；后者是同视向速度相垂直的分量，它表现为恒星在天球上的位移，并且被叫做自行（图2—1）。恒星自行的速度，一般都小于每年0.1″，迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年l″。其中，自行很快的恒星是蛇夫座的巴纳德星，它的切向速度为每年0.31″。由此可知，恒星其实也不“恒”。 图2—l恒星的空间速度及其两个分量：视向速度和切向速度（自行）。图2—2北斗七星的自行和北斗形状的变化 恒星的自行，没有统一的方向和速率。例如，北斗七星中的北斗一（天枢）和北斗七（摇光）的自行，与其它五颗星的自行大相径庭。多少年之后，北斗将变得面目全非（图2—2）。 §201—2恒星的发光和光谱 恒星能自行发光（指可见光），这是它的本质特征。恒星要产生可见光，其温度必然是很高的。为什么恒星能有很高的温度？这里有两方面的问题：一是质量大小问题，恒星有巨大的质量，因此，它有很高的中心温度，才能引起热核反应而释放大量能量；二是发展阶段问题，恒星并不是从来就发光的，也不会永远是发光的，只是在它生命史上的某个阶段才有发光现象，而且，在不同的演化阶段，会发出不同的光。 究竟要多大质量的天体才能发光？才算是恒星？根据对恒星质量的统计，大多数恒星的质量不小于太阳质量的10％，也不大于太阳质量的10倍。有些恒星的质量仅及太阳质量的百分之儿；也有些恒星的质量超过太阳质量的一百倍。如此看来，能自行发光的天体，其质量至少要达到太阳质量的百分之几到百分之十。 人们为了区别不同的光，让星光通过分光镜一类的光学仪器，使不同波长或者说不同颜色的光，按其波长顺序排列成一条光带——光谱。我们知道，每一种物质当它发光的时候，都有自己独特的标志，也就是各种元素发出一定颜色，或者说一定波长的光，这叫发射光谱。另一方面，它们也会吸收别的光源发射的光线，在连续光谱中出现暗色的吸收线，这叫吸收光谱。有趣的是，各种元素（在低压下的炽热气体）所吸收的光线，正是它们（在同样条件下）所能够发射的光线。 恒星的光谱有不同的类型。不同光谱型之间的主要差别在于星光颜色，而颜色实际上是恒星温度的反映。红色的星，表面温度很低，约为3000k，黄色星约为6000K，太阳便属于这一类恒星；白色星约为10000—20000K，带蓝色的星温度很高，可达30000—100000K。按物理学定律，温度越高，光谱很明亮（辐射强度很大）部分越接近蓝色一端。为此，人们只要在谱线中找出很明亮部分所对应的波长，便可推算出恒星的表面温度。 化学家们凭光谱中的发射线（亮线）证认各种元素，天文学家则凭光谱中的吸收线（暗线）和发射线，研究天体的物理性质和化学成分。来自恒星的光，首先要通过自身的大气层，所以，大多数恒星的光谱是带有吸收线的连续光谱。少数恒星的光谱还有一些发射线，或者只有发射线而没有吸收线。根据恒星光谱的研究，不同温度的恒星，其化学组成大同小异。对于大多数恒星来说，主要成分是氢，约占90％；其次是氦，约占10％。其它元素很少，不足1％。此外，通过光谱分析可以确定恒星的光度，比较它的视亮度，就能推知恒星的距离。星光成了传递天体的各种信息的远方使者，故被称为“有色的语言”。
§201—3多普勒效应 奥地利物理学家多普勒（1803—1853）从声波传播中发现，波的频率要因声源与观测者的相对运动而变化，并解释了这种现象，因而被叫做多普勒效应。 许多人都熟悉，火车的汽笛声在列车向你奔驰而来时，音调会变高；而当它掠过你离去时，声音马上就会低沉下来。音调高，表明声波的频率较高；音调低，声波频率较低。这并不意味着声源发生了什么变化，而是由于声源与观测者的相对运动所致。当声源对着观察者相向而来时，声音频率提高；当声源背离观察者而去时，声音频率降低。 多普勒效应是一切种类波所共有的现象，也适用于光波和电磁波。测定光的多普勒效应的很好办法，是观测它的谱线的变化：例如，大多数恒星的光谱里，在紫外光部分都有两条暗线，这是被钙气吸收所致。令人诧异的是，遥远星系光谱里的这两条暗线，却不是处在它们应处的位置上，而是稍稍移向低频端（即红端）。这种现象称为“红移”。星系距离愈远，谱线“红移”愈显著，甚至使这两条应处于紫外光部分的暗线，移到了红光一端。这种某频率谱线的位移现象，说明该天体正在与观测者作相对运动。可见光谱如果发生了红移（波的频率降低，波长变长），表明该天体正在退行；反之，若谱线发生紫移（波的频率升高，波长变长），该天体就在向我们接近。 多普勒效应为天文学家提供了一种测定天体视向速度的方法：只需测定天体的光的波长变化，便能求得该天体相对于我们的速度。 §201—4恒星的亮度和光度 恒星的亮度是指地球上受光强度，即恒星的明暗程度；恒星的光度表示恒星本身的发光强度。恒星看起来有明有暗，但是，亮星未必一定比暗星的发光本领强，因为这里还包含着距离的因素。在天文学上，天体的亮度和光度都用星等表示：表示天体亮度等级的叫视星等，记作m；表示天体光度等级的叫绝对星等，记作M。遣常所说的星等是指视星等。 星等是天文学史上传统形成的表示天体亮度的一套特殊方法，如同气象学上用风级来表示风速一样；所不同的是，星等越大，恒星亮度越暗。二千余年前，希腊无文学家把肉眼可见的恒星分成六等①。后人沿袭了这套方法，同时，经过光学仪器的检测，使之更加精确。人们发现，一等星与六等星，星等相差5等，它们的亮度相差100倍。连续各个星等的亮度成几何级数，若相邻两星等的亮度比率（级数的公比）为R，则有：
R5＝100
两边取对数： 5lgR＝2 lgR＝0.4 R＝2.512 有了这样的数量关系，就可以用星等来表示任何亮度。星等相差1等，恒星的亮度相差2.512倍。星等按等差级数增大，亮度便成等比级数递减。 　 　
①六个星等的尺度分别是：一等星特别明亮，全天共21颗，它们在附近恒星中显得非常突出。二等星比较 明亮，北极星和北斗（除北斗四外）星可作为代表。三等星不大明亮，但在薄雾、明月和城市灯光下，一 般仍可见到。四等星较为暗淡，在上述条件下，隐匿不见。五等星很暗淡，天空全黑时可见。六等星是很 暗淡的星，只有在良好的观测条件下方能看到
望远镜和照相术问世后，星等扩展到更暗的恒星。现代很强大的望远镜，能够观测到25等的暗星。另一方面，星等还向零值和负值扩展。例如，天狼星（全天很亮的恒星）的亮度为—1.45等，金星很明亮时亮度为—4.22等，满月的亮度为—12.73等，太阳的亮度达一26.74等。这就是说，太阳的亮度是一等星亮度的（2.512）27.74＝1300亿倍。
假定有两颗恒星，其星等为m和mo（m＞mo），它们的亮度E和Eo的比 率为 　 E0 =2.512 mm (1) 　 　 E 0 　 　 　 　 　 　 两边取对数，并记住1g2.512＝0.4，得 　 lgE0lgE＝0.4（mm0） 　 　 mm0＝2.5（lgE0—lgE） （2） 　 如果取零等星（m0＝0）的亮度E0＝l，那么 　 　 　 m＝2.5lgE （3） 　
（3）式称普森公式。该公式表明，只要有明确的零等星和它的标准亮度即平均亮度，就可根据恒星的亮度E推算其星等m。 恒星的亮度与其距离远近有关。如图2—3所示，光源的视亮度与其距离的平方成反比。单从亮度是看不出恒星的真实光度的。为了比较不同恒星的光度，必须把它们“移”到同一位置（距离）上，才能对比出它们的真正亮度即光度来。天文学上把这个标准距离定为10秒差距①，相当于0″.l视差的距离，合32.6光年。距离因素被消除后，星等仅与恒星的光度有关。 图2－3光源的视亮度与其距离的平方成反比。距离增加1倍，亮度便减为l/4 标准距离（10秒差距）下的恒星的亮度称绝对亮度，其星等叫绝对星等。有了这个标准距离，就可以根据恒星的实际距离（d）和视星等（m），推算它在10秒差距时的亮度EM和绝对星等M。 设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度。由公式（l）可得
EM=2512.mM
Em 恒星的亮度与其距离的平方成反比，如该恒星的距离d以秒差距为单位，那么
EM=d22 Em10 把这个关系式代入前面那个方程式的左边，便得
d22=2512.mM 10
两边取对数，并记住lg2.512＝0.4，那么 2lgd2＝0.4（mM） mM＝51gd5 M＝m＋55lgd（4） 　
①秒差距是天文学上常用的一种距离单位。当天体的周年视差为l″时，其距离为1秒差距，相当于206 265AＵ或3.261.y.（详见§304—l）。
（4）式是现代恒星天文学很重要的公式之一。恒星的两种星等之差，在恒星距离的测量工作中是十分重要的，只要测定恒星的绝对星等，便可按平方反比定律，求知该恒星的距离。 若d＝10，则5lgd＝5，M＝m 即恒星距离为10秒差距时，它的视星等即为绝对星等。 10秒差距在恒星世界是“咫尺之距”，只有为数不多的亮星位于这个距离之内。因此，对于绝大多数恒星来说，其绝对星等高于它的视星等。如果把太阳移到这个距离，它的星等将是4.75等，成为一颗不起眼的暗星。在恒星世界里，光度的差异十分悬殊。光度很大的恒星，比太阳强100万倍；光度很小的恒星，仅及太阳光度的百万分之一。在这方面，太阳也是恒星世界的普通一员。 §201—5恒星的多样性 恒星的化学组成基本一致，质量差异也不大（相对于其它物理参数而言），可谓大同小异。但是，它们存在的形式，却是五花八门和复杂多样的。 单星、双星和星团一般的恒星是单个存在的。但是，有一些恒星是成双成对的，被称为双星。例如，全天很明亮的天狼星就是一颗双星。它的伴星光度很小，肉眼不可见。在已知恒星中，双星约占l/3。双星分光学双星和物理双星两类：前者在天球上位置很靠近，但实际上在视线方向上相距很远，并无物理上的联系，这类双星又叫视双星或假双星；后者两个子星空间距离接近，由于相互吸引而相互绕转，是真正的双星。若双星绕转的轨道平面平行于视线方向，还会发生周期性的相互掩蔽，从而发生亮度变化，叫做食双星。有的双星的子星本身也是一对双星。例如，半人马座ａ（南门二）实际上是一颗三合星。它由A、B、C三星组成，其中的A和B是一对双星，二者又同C星结成双星。按目前的位置，C星比A、B二星更接近我们，它是现在的比邻星。 在恒星世界中，还有许多恒星集中分布在一个较小的空间，彼此有物理联系，形成一个稠密的恒星集团，叫做星团。例如，金牛座的昴星团（俗称“七姐妹”，事实上肉眼只见到六颗），一簇小星密集在月轮大小的天区内，比头等明星更引人瞩目。其实，它的成员多达280余个，天文上称疏散星团。很庞大的星团由数十万颗恒星聚集而成，它们呈球对称状分布，因而被称为 球状星团（图2—4）。 图2—4全天很亮的球状星团（半人马座?） 变星、新星和超新星大多数恒星的光度是稳定的，短时期内几乎没有变化，太阳就属于这一类恒星。有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化。变化的周期，长的可达几年到十几年，短的只有几日甚至几小时。这样的恒星称为变星。银河系内已发现的变星约有2万多颗。按其成因，变星可分食变星、脉动变星和爆发变星三类。 食变星又叫几何变星。它的亮度变化是由于双星相互绕转时发生交食现象而引起的，即前述的食双星。很著名、也是很早被发现的食变星是英仙座β（中名大陵五），有魔星之称。该恒星平时的亮度约为2.2等，当伴星掩蔽主星时，在4小时50分钟内，亮度减为3.4等；然后，经过同样的时间，迅即又恢复到原来的亮度。它的变光周期为2日20时49分，变化十分有规则（图2—5）。 脉动变星和爆发变星又叫物理变星。它们的亮度变化是由于恒星内部或
其大气物理状况变化所致。脉动变星是恒星体积发生周期性膨胀和收缩而引起光度的变化：膨胀时光度变大；收缩时光度变小。已知银河系内的脉动变星有一万多颗，约占其变星总数的一半。爆发变星是星体爆发现象而引起光度的变化。爆发变星中，亮度在很短时间内（几小时至几天）突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。在爆发过程中，新星虽然释放大量的能量和损耗一部分质量，但以后仍作为一颗恒星而继续存在。爆发规模特别大的变星叫超新星，其光度变幅超过17个星等，即亮度可突然增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。这是恒星“临终前的回光反照”。经过这样爆发以后，超新星只留下一个致密的残骸，而不再是通常意义的恒星了！银河系里已发现170余颗新星和4颗超新星。我国北宋至和元年（1054年）所记录的“无关客星”（天关即金牛座b），是很著名的一次超新星爆发。它的遗迹不断扩散，形成著名的蟹状星云。 巨星、超巨星和自矮星恒星世界也分“巨人”和“侏儒”，它们的体积大小十分悬殊。然而，恒星的大小是无法直接测定的，即使在很强有力的望远镜视场里，恒星也不分大小，都是一个光点。它们的体积大小，具体反映在恒星的光谱型（或温度）和光度（或绝对星等）的关系上。 19世纪中叶，发现恒星有距离上的差别后，随即就知道，恒星还存在着光度的差异。一旦获得了恒星的温度和光度的大量信息，下一步很自然地会把这两方面的知识联系起来，建立起一种关于恒星理论的至为重要的关系。本世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙（18731967）和美国天文学家罗素（18771957），不约而同地创制了恒星的光谱型和光度的坐标关系图，简称光谱光度图，通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置（图2－6） 赫罗图的一个明显特点是，恒星并不是在图上到处分布的。大多数（90％以上）恒星分布在从图的左上方至右下方的一条窄带上，温度由高到低，光度由大到小，形成一个明显的序列。这条窄带叫做主星序；位于主星序上的恒星，则被称为主序星。这个关系图表明，大多数恒星的光度，决定于它们的温度，即恒星的温度越高，其光度就越大。 图2－5食变星—大陵五（英仙座β）的亮度变化 同主序星相比较，赫罗图上有三部分恒星情况殊异。一部分集中在图的 右上方，它们的温度不高，但光度却很大。这等于说，一颗“冷星”，却又十分明亮。对此，唯一的解释只能是它们的体积很大，因而增加了发光面积。这部分恒星叫红巨星。在红巨星的上方，一直延伸到图的左侧，是一些超巨星。其中，低温的红超巨星是恒星世界的“超级巨人”，为数不多，赫茨普龙把它们喻为“鱼中之鲸”。目前已知的很大恒星是仙王座VV，其半径约为太阳半径的1600倍，体积超过太阳的40亿倍。巨星和超巨星在恒星中所占的比例不到1％。 另一部分恒星分布在赫罗图的左下方。它们的温度相当高，但光度却很小。这表明，它们的发光面积不大，体积很小。这些小而热的恒星叫白矮星。很先发现的一颗白矮星是天狼伴星。其半径只及太阳半径的0.75％；体积比地球还小，可却具有与太阳相仿的质量。在太阳系附近的恒星中，白矮星大约占10％。
恒星世界的一个奇妙特征是，巨星和矮星在体积上的差异，犹如动物世界中大象与蝼蚁的差异；然而，它们的质量却“不相上下”。可想而知，恒星的密度也存在着惊人的差异：巨星十分稀薄；白矮星则非常致密，其中心密度是水的100万—1000万倍。 赫罗图的一项应用，是求主序星的距离。只需知道恒星的光谱型，便可从它在赫罗图主星序的相应位置，直接得知其光度，再根据恒星的视亮度，就能按平方反比定律求知其距离。赫罗图还反映出恒星的演化程，图上不同的序列，意味着恒星生命史上的不同演化阶段。 图2—6赫罗图恒星的光谱—光度图太阳位于主星序的中部，可见它是一颗很典型的恒星 图2—7恒星大小的比较 脉冲星和中子星本世纪60年代，天文学家发现了一种新型的变星，它有规律地发出射电脉冲讯号，所以取名为脉冲星。脉冲的周期很短，很长为4.3s，很短的只有0.0016s，而且十分准确稳定，间隔的误差仅为0.00000001s。 什么样的天体能如此快速而稳定地发射脉冲讯号？一个天体发生周期性变化，其可能的机制不外乎三种：轨道运动、脉动和自转。显然，前二者是没有可能的，不可能设想恒星相互绕转的周期会短到0.033s。所以，脉冲星不是食变性。同理，脉动周期也不会短到不及几百分之一秒，且脉动不具有那样严格的准确性，所以，脉冲星也不是脉动变星。剩下的唯一可能是恒星自转。可是，如此“疯狂般”的自转，不要说普通恒星承受不了，连白矮星那样致密的天体也会分崩离析。于是，学者们认定，它只能是人们早已预言的中子星。 中子星是由中子组成的恒星。这是由于恒星演化到晚期，能量耗竭。若经引力塌缩，其剩余质量大于某一极值时，电子运动都不能抗衡原子核吸引力，就继续塌缩，经逆β衰变形成大量自由中子，致使恒星密度很大，体积很小，形成中子星。中子星的直径只有几十km，而它的质量可以超过太阳。白矮星的密度已使人惊叹不已，中子星的密度比它还要高出1亿倍以上。每立方厘米的这种物质，可达几亿吨到10亿吨！这样超高密的天体，有足够强大的自引力，不致因高速自转而瓦解。 中子星是如何发射脉冲的呢？学者们认为，在这样的天体上可能形成一种条件，使它的射电波主要是从其表面的局部地区发射出来，而其它部分的辐射很弱。这样，中子星会像一个旋转着的喷头一样发出射电波，每转一周便朝观测者方向射来一束电波。这种间歇性的“闪烁”被称为“灯塔效应”。 “脉冲星”名称是指天体辐射的表现形式；“中子星”则表明这种恒星的物理实质。它已被观测所证实。 §201—6恒星的演化 同自然界一切事物一样，恒星经历着从发生、发展到衰亡和转化的过程。搞清恒星演化问题，是20世纪后半叶天文学的很大成就之一。概括地说，恒星的一生大体上是这样度过的： 现代天文学有证据表明，恒星是由星云（气体和尘埃）凝聚而成的。弥漫星云在自引力作用下，很快地（按天文学的时间尺度而言）收缩成比较密集的气体球。在收缩过程中，引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射
能量，向着赫罗图的主序上的某个位置移动。星云的质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。 恒星“移”到主序后，内部温度高到足以“点燃”核火，热核反应代替引力收缩，成为恒星的主要能源（这是一种巨大而稳定的能源）。温度升高，热运动加快，恒星就要膨胀，使排斥力足以同引力相抗衡。从此，恒星停止收缩，长期稳定地依靠热核反应进行辐射。一颗恒星呆在主序中的时期，占去其生命的大半辈子；而且，恒星在主序上逗留时间的久暂，也取决于其质量的大小。恒星质量愈大，引力愈强，它必须维持较高温度和较大的辐射功率来抗衡引力收缩，它的氢燃料消耗更快，寿命愈短。 热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料很先耗尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上发生根本变化的前奏。随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的、具有“热”核的“冷”星。这时，恒星便离开主星序，进入红巨星区域，到了它生命的“晚年” 桓星过渡到红巨星阶段后，其演化速度大大加快起来。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，当温度升高到1亿度时，会发生由氦核聚变为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素。但这以后的聚变过程所释放的能量很有限，恒星已到了“垂暮”之年。一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃，恒星的很后归缩便是自行坍缩。 红巨星收缩时，其核心部分收缩很为猛烈，外部层次处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星；以后逐渐冷却，变成又小又暗的黑矮星。大多数恒星就这样结束它的一生。 然而，并非所有恒星都经历这样“平静”的演化道路。那些质量和体积特别巨大的恒星，在其演化的很后阶段会发生爆炸，迸发出盛大的太空焰火。这就是超新星爆发。如果它们留下的“残骸”的质量足够大（1.43.2倍太阳质量），它就会“一落千丈”地坍缩为中子星。超过这个限度，甚至连核力也将在引力前面低下头来，中子也会崩坍，形成所谓黑洞①。 恒星在引力作用下“诞生”，也在引力作用下“死亡”。


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