
Teded有一集科普短片通俗易懂地解释了这个原理:
假设你的面前有一盏灯,你知道这盏灯的亮度。你的朋友拿着这盏灯离你越来越远。虽然灯的实际亮度不变,但在你看来灯却是越来越暗的。确切地说,在你眼中灯的亮度是以你朋友的距离的平方在减弱。
所以通过比较灯的实际亮度和你看到的灯亮度,代入公式,你就可以算出灯泡距离你多远。
恒星就相当于你看到的灯泡。在天文学中,你在地球上看到的恒星的亮度被称为“目视星等”,而恒星的实际亮度被称为“绝对星等”(假设所有恒星都在距离地球10秒差距的地方所测得的亮度,用以客观比较恒星的实际发光能力)。只要你知道恒星的实际亮度,那么就意味着你可以利用目视星等算出恒星和地球的距离。
但最大的难点在于,恒星距离我们太过遥远,我们无法准确知晓恒星的光度。因此造父变星(Cepheid variable)就是个超级大的外挂。变星,顾名思义就是亮度会变化的恒星。造父这类脉动变星(星体会周期性缩小变大,缩小时最亮,膨胀时最暗)的特殊之处在于它的发光能力和光变周期是有联系的。发光能力越强的造父变星,光变周期越长,这种关系被称为“周光关系”。
简单说,如果你在夜空中看到一颗很昏暗的造父变星,它从变亮到变暗的时间却很长,说明这颗变星其实非常亮,只是因为距离地球太远在我们眼中才显得昏暗。我们熟知的北极星,小熊座α勾陈一,就是目视星等最亮的造父变星。如果你想测量某个河外星系的距离,最佳的方法就是能在这个星系发现造父变星。1924年,Edwin Hubble利用仙女座星系中的经典造父变星测出距离,首次证明了它不是银河系的成员,而是一个比银河系更大的河外星系。
不同类型的造父变星有不同的周光关系数学公式。第一型造父变星以仙王座δ造父一为代表(这也是造父变星的名称由来),俗称“经典造父变星”。这类变星的质量比太阳大4~20倍,光度可达太阳的10万倍。第二型造父变星以室女座w型变星为代表,通常是老年且低质量的恒星。它们比同周期的经典造父变星普遍暗1.6星等。常用于测量星系之间的距离。第三种天琴座RR型变星,是恒星物理学的经典变星案例。这类变星的质量比太阳小,光变周期很短,时常用于测量星团的距离(因为球状星团里80%变星都属于天琴座RR变星)。但精准性不如前两类造父变星,所以不常用。
造父变星是“标准烛光”(Standard Candle)最重要的一种。标准烛光是天文学中常见的利用恒星光度测量距离的方式说法。对于测量遥远的河外星系,超新星也是非常重要的标准烛光之一。在此之前,近代天文学家只能通过“三角视差法”测量距离我们较近恒星的距离。可以说,造父变星的发现,为天文学界的发展做出了划时代的巨大贡献。
