造父變星

造父變星

造父變星(Cepheid variable stars)是變星的一種,它的光變周期(即亮度變化一周的時間)與它的光度成正比,因此可用於測量星際和星系際的距離。大多數這類變星在光度極大時為F型星(中等溫度的熱星);在光度極小時為G型星(像太陽那樣比較冷的星)。典型星是仙王座δ。1784年約翰-古德利發現了它的光變現象,1912年哈佛天文台的勒維特發現了上述造父變星的周期-光度關係。造父變星(Cepheid variable star)是一類高光度周期性脈動變星,也就是其亮度隨時間呈周期性變化。因典型星仙王座δ(中文名造父一)而得名。由於根據造父變星周光關係可以確定星團、星系的距離,因此造父變星被譽為“量天尺”。她利用小麥哲倫雲中的造父變星確立了視星等和周期之間的準確關係,因為小麥哲倫雲離我們足夠遙遠,恆星又非常密集,其中每顆恆星到地球的距離都可以看作是近似相同的,因此勒維特發現的光變周期與視星等的關係可以視為是光變周期與絕對星等的關係。由視星等轉化為絕對星等,需要解決周光關係的零點標定問題。她在1912年以25顆造父變星與更進一步證據一起發表。

歷史

造父變星造父變星

在1784年9月10日,愛德華·皮戈特檢測到天鷹座η的光度變化

,這是第一顆被描述的經典造父變星。但是,這一種造父變星卻以幾個月後由約翰·古德利克發現的變星造父一為代表。造父一的視星等最亮時為3.7等,最暗時為4.4等,光變周期為5天8小時47分28秒。 經典造父變星的光度與周期的關聯性是哈佛大學的亨麗愛塔·勒維特於1908年調查了麥哲倫雲內成千上萬顆的變星所發現的。她發現,造父變星的光變周期越長,視星等越大。她利用小麥哲倫雲中的造父變星確立了視星等和周期之間的準確關係,因為小麥哲倫雲離我們足夠遙遠,恆星又非常密集,其中每顆恆星到地球的距離都可以看作是近似相同的,因此勒維特發現的光變周期與視星等的關係可以視為是光變周期與絕對星等的關係。由視星等轉化為絕對星等,需要解決周光關係的零點標定問題。她在1912年以25顆造父變星與更進一步證據一起發表。

在1913年,丹麥天文學家Ejnar Hertzsprung對造父變星做了些研究,利用視差法測定了銀河系中距離較近的幾顆造父變星,標訂了距離尺度。

在1915年,美國天文學家Harlow Shapley成功的解決了造父變星零點標定的問題,並使用造父變星訂出我們銀河系最初的大小和形狀,以及太陽在其間的位置。

在1924年,Edwin Hubble利用仙女座大星系中的經典造父變星建立了它的距離,顯示它不是銀河系內的成員。這解決了島宇宙辯論所涉及的宇宙和星系是否是同義字的問題,或者銀河系只是組成宇宙的眾多星系中的一個。

在1929年,哈柏和Milton L. Humason結合由造父變星測量出距離的幾個星系,和 Vesto Slipher測量的星系退行速度,制定了稱為哈柏定律的公式。他們發現宇宙在膨脹 (參見:膨脹的宇宙)。但是,在幾年前喬治·勒梅特已經提出這種論斷。

在20世紀中葉,在將具有不同屬性的造父變星分為不同的類別之後,天文上影響深遠的距離問題獲得有效的解決。在1940年代,Walter Baade將造父變星分為兩個族群 (經典和第二型

造父變星造父變星

)。經典造父變星是年輕的、質量較大的第一星族星,第二型造父變星則是比較老且暗弱的第二星族星。經典造父變星和第二型造父變星遵循不同的周期和亮度關係。平均而言,第二型造父變星的絕對星等比經典造父變星暗了1.5等 (但仍比天琴座RR型變星亮)。早期以造父變星對距離的測量,因為不經意的摻雜了經典造父變星和第二型造父變星,因而變得很複雜。Walter Baade開創性的發現導致M31的距離增加了4成,和建立了河外星系的距離標尺。部分是因為天琴座RR的變光周期很短,很早就被確認是獨立的另一種變星 (大約在1930年代)。

2013年11月25日訊息,哈勃太空望遠鏡拍攝下造父變星的圖像,用以確定星團、星系的距離。造父變星(Cepheid variable star)是一類高光度周期性脈動變星,也就是其亮度隨時間呈周期性變化。

光變機理

造父變星造父變星

在赫羅圖中,大部分脈動變星位於一個狹長的不穩定帶上。造父變星位於這個不穩定帶的上部,光譜型為F到K型。造父變星的半徑變化幅度不大,約為5%-10%,光度變化主要來自表面溫度的變化,且與半徑的變化位相相反,即半徑最大時光度最小,半徑最小時光度最大。

當恆星演化到一定階段,內部會出現不穩定性,引力和輻射壓力會失去平衡,外部包層會出現周期性的膨脹和收縮,但這個脈動不涉及恆星的核心。在正常情況下,恆星的不透明度κ與密度成正比,與溫度的3.5次方成反比。當恆星的半徑減少時,密度增加,溫度升高,不透明度降低,導致能量的釋放,使膨脹幅度減小。

造父變星在脈動初期,恆星包層中存在氦的部分電離區,半徑減小時,溫度基本不變,導致不透明度反而增加,能量吸收,半徑進一步減小。這就使得脈動的幅度越來越大。恆星在演化過程中,在赫羅圖上可能數次穿越不穩定帶,在正常恆星和造父變星之間不斷轉換。

脈動的動力學

現今所接受的造父變星脈動解釋稱為愛丁頓閥,或κ-機制,此處的希臘字母κ (kappa)表示氣體的不透明度。 氦被認為是過程中最活躍的氣體。雙電離(缺少兩顆電子的氦原子) 的氦比單電離的氦更不透明。氦越熱,電離程度也越高。在造父變星脈動循環最暗淡的部分,在恆星外層的電離氣體是不透明的,所以會被恆星的輻射加熱,由於溫度的增加,恆星開始膨脹。當它膨脹時,他開始變冷,所以電離度降低並變得比較透明,允許較多的輻射逃逸。於是膨脹停止,並且因為恆星引力的吸引而收縮。這個過程不斷的重複著。

這個熱引擎的脈動機制是亞瑟·愛丁頓在1917年提出的 (他撰寫了一段造父變星的動力學),但是直到1953年S.A. Zhevakin才證實了氦的電離像是一種引擎的閥。

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