旅行到时空边缘：造父的光芒及其神秘力量

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第11章造父的光芒利用造父变星这把威力更大的量天尺，天文学家开始畅游星系造父传奇大约在公元前960年的时候，周穆王有了一个高明的御马师—造父，造父驯养出八匹最好的千里马，拉着周穆王四处巡游。造父由于驾车有功，周穆王将山西洪洞县的赵城赏赐给他。更重要的是，造父变星的光变周期暗含了一个重大秘密，揭开这个秘密的是另一个聋哑人—莉维特。造父变星的光变周期能够表明它的真实亮度—周期越长，光度越大。

第11章　造父的光芒

利用造父变星这把威力更大的量天尺，天文学家开始畅游星系

造父传奇

大约在公元前960年的时候，周穆王有了一个高明的御马师—造父，造父驯养出八匹最好的千里马，拉着周穆王四处巡游。

一天，造父驾车，拉着穆王向西方巡游，一路穿越地广人稀山川壮丽的西域，来到昆仑仙境。仙境的西王母娘娘看到周天子来访，非常高兴，在昆仑山顶的瑶池设宴款待周穆王。周穆王与西王母作歌唱和，竟然乐而忘返，一晃过去了三天。谁知“仙境一日，地上一年”，周穆王在瑶池待了三天时间，地上已经过去了三年。天子三年没有回来不知下落，天下大乱，一些诸侯造起反来。

周穆王在瑶池宴乐的时候，造父很着急，就将千里马放出一匹，让它回京城报信。这匹马途中遇到了寻找周穆王的侍卫队，很快引他们到了瑶池，周穆王这才知道天下大乱，急忙向西王母告别。西王母有些不舍，就作了一首歌约穆王瑶池再会：

白云在天，山陵自出。

道里悠远，山川间之。

将子毋死，尚能复来？

穆王作歌回答，约定三年后重来相会，然后命造父驾车，立即返回。八匹骏马日行三万里，很快就回到京城，平息了叛乱。

造父由于驾车有功，周穆王将山西洪洞县的赵城赏赐给他。造父的后人以赵城为根据地逐渐发展起来，几百年后建立起强大的赵国，成为战国七雄之一。

然而人生无常，不知何故周穆王竟然爽了西王母的约。失落的西王母常常在瑶池上推开雕花的窗户向东眺望，期待周穆王驰骋而来的八骏，结果却听到了凄惨哀伤的黄竹歌声。西王母心中不免有些幽怨：穆王啊穆王，你的八匹骏马一天可以飞驰三万里，为什么不来瑶池重相会呢？

鉴于造父的神奇技能和传奇经历，中国古代天文学家把造父请到了高天，在北极星周围的紫微垣旁边设置了造父星，它位于今天的仙王座里。仙王座是北天一个比较好辨认的星座，有5颗不太亮的星组成一个尖尖的五边形，就像一个削尖的铅笔头，笔尖离北极星不远。其中的造父一虽然看起来很不起眼，但却是天文界名声最显赫的星之一。

造父变星

1784年深秋的夜晚，古德里克，这个20岁的聋哑人深深迷上了造父一。古德里克注意到，这颗星的亮度在发生缓慢变化，它是一颗变星。

造父一便于观察，因为它靠近北天极，终年不落。每一个晴夜，古德里克都仔细地盯着造父一，记录下它每一丝微弱的星光变化。造父一的亮度变化很有规律，从最亮时开始缓慢变暗，约4天后亮度下降一半达到最暗，接着开始变亮，速度比变暗过程快很多，只要1天多就达到最亮。经过一百多次观察，古德里克非常精确地测定了造父一的光变周期—5.3663天，这和现代利用光电仪器测定的结果非常接近。

因为这个成果，古德里克成为英国皇家学会历史上最年轻的会员。不幸的是，由于夜间观测受寒，古德里克得了肺炎，1786年4月20日病逝，如流星般一闪而殒。

后来天文学家们发现了很多类似造父一的变星，它们统称为“造父变星”。造父变星光变周期各不相同，在1～50天之间，每颗星的光变周期都非常准确，可以同钟表媲美。更重要的是，造父变星的光变周期暗含了一个重大秘密，揭开这个秘密的是另一个聋哑人—莉维特。

哈佛大学在南半球的秘鲁有一个天文台，拍摄了许多大麦哲伦星云和小麦哲伦星云的照片。天文学家们对同一个目标区域拍摄很多张照片，就是想比较那些小星点有没有变化，从而找出变星。这工作要多枯燥有多枯燥，而这正是莉维特做的。

莉维特细心检视一张张照片，结果真有问题。她发现，这两个星云里有1000多颗星亮度会变化，它们时显时隐闪烁不定，好像整整一窝萤火虫。莉维特研究了这些变星的光变周期规律，确认小麦哲伦星云的变星中有25颗是造父变星。这25颗造父变星有亮有暗，光变周期有长有短，经过比对，莉维特发现了一个非常简单的规律：

亮的造父变星光变周期长，暗的造父变星光变周期短。

因为这25颗造父变星都位于遥远的小麦哲伦星云中，它们与地球的距离近似相等，因而那些看起来亮的星，本身必然是亮的，看起来暗的本身必然是暗的，于是在1912年，莉维特就发现了造父变星的周期与光度关系：

造父变星的光变周期越长，光度就越大。

这有什么用处呢？

通常我们看夜空里的星，是无法根据其亮度确定距离的，一颗暗而近的星和一颗远而亮的星，看起来可能完全相同，不知道本身亮度就无法比较距离。

造父变星的光变周期能够表明它的真实亮度—周期越长，光度越大。这样，只要测定出造父变星的光变周期，就等于知道了它的真实亮度，也就可以确定其距离了。比如，两颗看起来亮度相同的造父变星，其中一颗的光变周期是另一颗的2倍，就可以知道前者的真实亮度是后者的2倍，从而得出前者的距离是后者的2倍。造父变星是一把非常方便的量天尺，两位聋哑人—古德里克和莉维特，为天文学家们架起了一道通向宇宙深处的桥梁。

造父变星的亮度为什么会变化呢？美国的沙普利最早领悟到它的实质。造父变星是正步入老年的恒星，体积膨胀得很大，星体开始一胀一缩地脉动，星体的膨胀和收缩，就引起了亮度的增加和减少。

盯住远方的球状星团

沙普利志向远大，他想揭示整个宇宙的结构，这需要非常有效的测距手段。沙普利很快意识到，造父变星就是他苦苦寻觅的量天尺，他要用这把量天尺测绘宇宙。

沙普利走进天文学领域相当偶然。他出生在一个非常偏僻的乡村，童年时代虽然曾经对一颗行星感兴趣，但并未持续多长时间。他父亲想培养孩子们仰望星空的兴趣，带他们去看英仙座流星雨。在那个凉爽的夜晚，沙普利躺在毯子上沉沉睡去，飞驰的流星一颗也没有看到。15岁时沙普利完成了小学五年级学业，然后辍学，在一个小报社当一名犯罪报道记者。20岁时沙普利读高中，一年后以全校第一名的优异成绩毕业，并代表其余全部两名毕业生在典礼上致辞，接着去密苏里大学哥伦比亚分校读新闻学。

沙普利到达学校时，才震惊地得知新闻学院延期一年开课。他想先学点别的，有一个课程列表供他选择，学科按字母先后顺序排列，沙普利先看到的是考古学（Archaeology），他因为不认识这个单词感到非常羞愧；接下来的天文学（Astronomy）让他眼睛一亮，就这样便进入到天文界来。

1914年，29岁的沙普利以优异成绩从普林斯顿大学博士毕业，来到威尔逊山天文台。这里有一台60英寸（1.52米）的反射镜，沙普利获准可以自由支配它，那是当时全世界威力最大的望远镜，沙普利要用它来揭开银河系结构的奥秘。

沙普利不准备走卡普坦数星星的路子，因为银河系太庞大，恒星数量太多，那是死路一条，他把目光盯向了一种叫球状星团的特殊天体。球状星团是由数十万乃至数百万颗恒星聚集在一起形成的球形集团。全天最亮的球状星团在半人马座—半人马座ω（NGC5139），好几百万颗恒星聚集在几百光年的范围内，肉眼看上去却只是一个普通的星点，因为它远在17000光年之外，这是唯一可以用肉眼看到的球状星团。

银河系的球状星团约有200多个，在沙普利时代发现了80个。沙普利发现，球状星团在天上的分布并不均匀，明显向一个方向汇聚，这方向的中心就在人马座。人马座在夏夜的南方很容易看到，它位于天蝎的尾巴钩后面，星座里较亮的星组成了一个茶壶的形状，银河在人马座那里变得最粗壮。

球状星团非常庞大，只分布在银河系某一特殊区域是很奇怪的。相反的，它们很可能均匀地包围着银河系中心。为什么看起来人马座方向最密集呢？沙普利推测，球状星团分布密集的地方，应该是银河系的中心所在，就像一位住在郊区山顶的居民，可以根据街灯最密集的方向来判断城市中心的位置。

沙普利的判断是正确的。接下来他要解决的是更艰巨的问题：银河系中心离我们有多远？银河系究竟有多大？

球状星团的分布在人马座天蝎座聚集，暗示出银河系中心就在那里。

大银河系

造父变星这把新量天尺开始发挥威力。沙普利利用威尔逊山60英寸望远镜拍摄了大量球状星团照片，在其中寻找造父变星的光芒。尽管搜寻目标明确，但依然是一项极为单调又耗费岁月的工作，沙普利经历了无数漫漫长夜，他终于得到了多颗造父变星的光变周期，进而测出了一些球状星团的距离。

1918年，沙普利勾勒出一个宏伟的银河系：一个扁平的盘状体，直径33万光年。

沙普利还定出，银河系球状星团的分布中心位于人马座西边缘，靠近天蝎座和蛇夫座的交界处，这个中心点就是银河系的中心，太阳系距离银河系中心6.5万光年。如同当年哥白尼把地球从宇宙中心挪开一样，沙普利也把太阳系遣送到了相对偏远的银河系郊区。沙普利同时认为，银河系足够大，它就是整个宇宙，所有天体都位于银河系内。

沙普利得出的银河系尺度数值过大，因为他对造父变星的测算出现了失误，银盘里分布的尘埃也使测量更加困难。沙普利之后，又经过多年努力，银河系的真实面目才渐渐浮现出来，那是一个无比庞大的恒星帝国。

旅行到时空边缘：造父的光芒及其神秘力量

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