最后更新：2014年5月3日

造父变星：这些恒星为何会脉动？

什么是造父变星？

造父变星是一种脉动变星，其亮度因体积和温度的变化而呈周期性波动。这类恒星在天体物理学中至关重要，因为它们通过周光关系使天文学家能够测量天文距离，尤其是在银河系内及更远的宇宙空间。这一关系由美国天文学家亨丽埃塔·斯旺·莱维特于20世纪初发现。

造父变星的特征

• 变异性：造父变星在几天到几个月不等的周期内呈现规律性的亮度变化，这种变化源于其内部结构的振荡。 • 周光关系：亨丽埃塔·莱维特（1868-1921）发现，造父变星的变化周期越长，其固有亮度就越高。换言之，造父变星的绝对星等与其振荡周期直接相关。

亨利埃塔·斯旺·莱维特理论

亨利埃塔·斯旺·莱维特的工作始于1908年，当时她分析了麦哲伦星云中变星的照相底片。她观测了约一百颗变星，其中一些是造父变星。她的基本发现是周期-光度关系；她发现变光周期较长的恒星本身更亮。

勒维特无法确定这些恒星的绝对距离，但她提供了一个极其精确的相对尺度。一旦天文学家获得了某颗造父变星的距离（例如通过视差测量），他们就能利用这一关系计算出其他造父变星的距离。这为估算星系距离、理解宇宙尺度打开了大门。

造父变星的物理学

造父变星是已经离开赫罗图主序带的大质量演化恒星。其光度变化源于一种称为"氦区不稳定性"的过程。在这些恒星的特定层中，氦处于部分电离状态，从而影响了对热量的透明度（不透明度）。

• 收缩阶段：当恒星收缩时，温度升高，电离氦导致的不透明度会阻挡内层的能量。能量积累使恒星膨胀。• 膨胀阶段：当恒星膨胀时，温度降低，氦重新结合成较低电离状态，不透明度降低，能量得以释放。恒星再次收缩，循环重新开始。

这种脉动周期具有规律性，使得周期与光度之间能够形成精确的对应关系。

发现的重要性

得益于造父变星的周光关系，埃德温·哈勃在20世纪20年代得以证明，一些旋涡星云实际上是银河系外的星系。这一发现改变了我们对宇宙的认知，表明宇宙远比人们先前所认为的更为浩瀚。

这段视频蒙太奇由哈勃太空望远镜的观测数据制作而成，展示了变星RS船尾座的脉动及其周围浓密暗云的环境。RS船尾座是一颗造父变星，位于船尾座。其周围的尘埃使我们能够以惊人的清晰度观察到一种被称为"光回波"的现象，这种现象造成了气体云从RS船尾座向外膨胀的错觉。哈勃的观测在2010年持续了五周，捕捉了这颗变星在不同周期阶段的变化——其亮度每40天会增强或减弱五倍以上。短片被重复播放多次，以更清晰地展示光回波机制。这些哈勃观测图像展示了该天体在布满背景星系的黑暗天空中的景象。正是由于RS船尾座位于一个巨大星云内，天文学家才能利用星云中粒子产生的光回波测量其距离，并精确确定这颗造父变星距地球6500±90光年。这一测量精度至关重要，因为造父变星是银河系及邻近星系距离的标记（标准烛光）。图片来源：NASA、ESA、G. Bacon（STScI）、哈勃遗产团队。