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造父变星

造父变星(Cepheid variable stars)是变星的一种,它的光变周期(即亮度变化一周的时间)与它的光度成正比,因此可用于测量星际和星系际的距离。大多数这类变星在光度极大时为F型星(中等温度的热星);在光度极小时为G型星(像太阳那样比较冷的星)。典型星是仙王座δ。1784年约翰-古德利发现了它的光变现象,1912年哈佛天文台的勒维特发现了上述造父变星的周期-光度关系。

造父变星(Cepheid variable star)是一类高光度周期性脉动变星,也就是其亮度随时间呈周期性变化。因典型星仙王座δ(中文名造父一)而得名。由于根据造父变星周光关系可以确定星团、星系的距离,因此造父变星被誉为“量天尺”。

在1784年9月10日,爱德华皮戈特检测到天鹰座η的光度变化,这是第一颗被描述的经典造父变星。但是,这一种造父变星却以几个月后由约翰古德利克发现的变星造父一为代表。造父一的视星等最亮时为3.7等,最暗时为4.4等,光变周期为5天8小时47分28秒。 经典造父变星的光度与周期的关联性是哈佛大学的亨丽爱塔勒维特于1908年调查了麦哲伦云内成千上万颗的变星所发现的。她发现,造父变星的光变周期越长,视星等越大。她利用小麦哲伦云中的造父变星确立了视星等和周期之间的准确关系,因为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,因此勒维特发现的光变周期与视星等的关系可以视为是光变周期与绝对星等的关系。由视星等转化为绝对星等,需要解决周光关系的零点标定问题。她在1912年以25颗造父变星与更进一步证据一起发表。

在1913年,丹麦天文学家Ejnar Hertzsprung对造父变星做了些研究,利用视差法测定了银河系中距离较近的几颗造父变星,标订了距离尺度。

在1915年,美国天文学家Harlow Shapley成功的解决了造父变星零点标定的问题,并使用造父变星订出我们银河系最初的大小和形状,以及太阳在其间的位置。

在1924年,Edwin Hubble利用仙女座大星系中的经典造父变星建立了它的距离,显示它不是银河系内的成员。这解决了岛宇宙辩论所涉及的宇宙和星系是否是同义字的问题,或者银河系只是组成宇宙的众多星系中的一个。

在1929年,哈柏和Milton L. Humason结合由造父变星测量出距离的几个星系,和 Vesto Slipher测量的星系退行速度,制定了称为哈柏定律的公式。他们发现宇宙在膨胀 (参见:膨胀的宇宙)。但是,在几年前乔治勒梅特已经提出这种论断。

在20世纪中叶,在将具有不同属性的造父变星分为不同的类别之后,天文上影响深远的距离问题获得有效的解决。在1940年代,Walter Baade将造父变星分为两个族群 (经典和第二型)。经典造父变星是年轻的、质量较大的第一星族星,第二型造父变星则是比较老且暗弱的第二星族星。经典造父变星和第二型造父变星遵循不同的周期和亮度关系。平均而言,第二型造父变星的绝对星等比经典造父变星暗了1.5等 (但仍比天琴座RR型变星亮)。早期以造父变星对距离的测量,因为不经意的掺杂了经典造父变星和第二型造父变星,因而变得很复杂。Walter Baade开创性的发现导致M31的距离增加了4成,和建立了河外星系的距离标尺。部分是因为天琴座RR的变光周期很短,很早就被确认是独立的另一种变星 (大约在1930年代)。

2013年11月25日消息,哈勃太空望远镜拍摄下造父变星的图像,用以确定星团、星系的距离。造父变星(Cepheid variable star)是一类高光度周期性脉动变星,也就是其亮度随时间呈周期性变化。 [1]

1908-1912年,美国天文学家勒维特(Leavitt)在研究大麦哲伦星云和小麦哲伦星云时,在小麦哲伦星云中发现25颗变星,其亮度越大,光变周期越大,极有规律,称为周光关系。由于小麦哲伦星云距离我们很远,而小麦哲伦星云本身和距离相比很小,于是可以认为小麦哲伦星云中的变星距离我们一样远。

科学家们经过研究发现,这些变星的亮度变化与它们变化的周期存在着一种确定的关系,光变周期越长,平均光度越大。人们把这叫做周光关系,并得到了周光关系曲线。这样,天文学家就找到了比较造父变星远近的方法:如果两颗造父变星的光变周期相同则认为它们的光度就相同。这样只要用其他方法测量了较近造父变星的距离,就可以知道周光关系的参数,进而就可以测量遥远天体的距离。以后在测量不知距离的星团、星系时,只要能观测到其中的造父变星,利用周光关系就可以将星团、星系的距离确定出来。

造父变星本身亮度虽然巨大,但是不足以测量极遥远星系核天体,能够用来测量的河外星系较少,更远的星系用1a型超新星测量,这类超新星是白矮星吸积伴星物质达到钱德拉锡卡极限后发生剧烈热核反应爆炸形成,内禀广度比较一致(但是仍有少量弥散,可用“菲利普斯关系”校正),成为造父变星的接力者。其他的测量遥远天体的方法还有利用天琴座RR变星等方法,但是天琴座RR变星亮度远小于造父变星,测量范围比造父变星还小得多,精确性也不如造父变星,比较少用。

造父变星在可见光波段,光变幅度0.1~2等。光变周期大多在1~50天范围内,也有长达一二百天的。

造父变星实际上包括两种性质不同的类型:星族I造父变星(或称经典造父变星)和星族Ⅱ造父变星(或称室女W型变星),它们有各自的周光关系和零点,对相同的周期,前者的光度比后者小1.4等左右。

星族I造父变星又称经典造父变星,它们是明亮的黄白色或黄色的巨大恒星。亮度通常介于太阳的1000倍到太阳的10万倍之间。这类恒星质量很大,最小的也有太阳的3至4倍,大的可达太阳的20倍以上。高质量证明它们形成不久,年龄大多不足1亿年,但因为质量大演化迅速而已经进入了演化晚期。 [2]

星族Ⅱ造父变星与星族I造父变星是完全不同的天体。星族I造父变星是年轻的巨大恒星穿过不稳定带所形成的,星族Ⅱ造父变星则是年老的,低质量的恒星在演化末期核心产能不稳定而形成的产物。星族Ⅱ造父变星已经经过了红巨星阶段,并失去了大量的物质。目前的质量仅仅有太阳的50%到90%,但由于高度演化仍具有数百倍到3000倍于太阳的亮度。它们非常古老,缺乏金属,通常年龄在数十亿年甚至一百亿年之久。

造父变星光谱由极大时的F型变到极小时的G~K型(见恒星光谱分类),谱线有周期性位移,视向速度曲线的形状大致是光变曲线的镜像反映。这意味着亮度极大出现在星体膨胀通过平衡半径的时刻(膨胀速度最大)而不是按通常想象那样发生在星体收缩到最小,因而有效温度最高的时刻,位相差0.1~0.2个周期。这种极大亮度落后于最小半径的位相滞后矛盾,被解释为星面下薄薄的电离氢区在脉动过程中跟辐射进行的相互作用而引起的现象。

在赫罗图中,大部分脉动变星位于一个狭长的不稳定带上。造父变星位于这个不稳定带的上部,光谱型为F到K型。造父变星的半径变化幅度不大,约为5%-10%,光度变化主要来自表面温度的变化,且与半径的变化位相相反,即半径最大时光度最小,半径最小时光度最大。

当恒星演化到一定阶段,内部会出现不稳定性,引力和辐射压力会失去平衡,外部包层会出现周期性的膨胀和收缩,但这个脉动不涉及恒星的核心。在正常情况下,恒星的不透明度κ与密度成正比,与温度的3.5次方成反比。当恒星的半径减少时,密度增加,温度升高,不透明度升高,导致能量的释放,使膨胀幅度减小。但造父变星在脉动初期,恒星包层中存在氦的部分电离区,半径减小时,温度基本不变,导致不透明度反而增加,能量吸收,半径进一步减小。这就使得脉动的幅度越来越大。

恒星在演化过程中,在赫罗图上可能数次穿越不稳定带,在正常恒星和造父变星之间不断转换。

现今所接受的造父变星脉动解释称为爱丁顿阀,或κ-机制,此处的希腊字母κ (kappa)表示气体的不透明度。 氦被认为是过程中最活跃的气体。双电离(缺少两颗电子的氦原子) 的氦比单电离的氦更不透明。氦越热,电离程度也越高。在造父变星脉动循环最暗淡的部分,在恒星外层的电离气体是不透明的,所以会被恒星的辐射加热,由于温度的增加,恒星开始膨胀。当它膨胀时,他开始变冷,所以电离度降低并变得比较透明,允许较多的辐射逃逸。于是膨胀停止,并且因为恒星引力的吸引而收缩。这个过程不断的重复著。

这个热引擎的脉动机制是亚瑟爱丁顿在1917年提出的 (他撰写了一段造父变星的动力学),但是直到1953年S.A. Zhevakin才证实了氦的电离像是一种引擎的阀。

由于造父变星具有确定的周光关系,在测量星团、星系的距离时,只要观测到其中的造父变星,就可以利用周光关系确定它们的距离。因此,造父变星被称为“量天尺”。美国著名天文学家哈勃就是利用仙女座星系中的造父变星,测定了仙女座星系的距离,随后巴德又对其进行了修正,证实了它是一个河外星系。

两个星族中都有造父变星,但是他们的周光关系不一样。因此在测距时应当根据所选造父变星的类型选定测距公式。

星族I造父变星:Mp=-1.43-2.81lgP

星族II造父变星:Mp=-0.35-1.75lgP

其中Mp是照相绝对星等,P是以天为单位的周期。

造父变星- 参考资料1、《星系世界》

2、周光关系

3、天琴座RR型变星

4、脉动变星


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