大陵五的故事

魔星大陵五

秋夜星空是寂寥而不失璀璨的，繁華稍退，歸於恬靜。晚飯過後仰望星夜，夏季大三角已然落幕西山，北天王族星座低調登場。先由容易辨識的北斗七星找到北極星，沿著鬥口繼續往前走就可以看到「鉛筆頭」仙王座，附近往東就是「M」形狀的仙后座。接著向東南可以看到三顆「一」字形的亮星列隊指向東北，即為仙女座，有歌訣云：「仙女一字指東北」。仙女座頭頂就是秋季星空的一大標識——秋季四邊形。而在仙女座腳下，仙后座以東容易找到由幾顆亮星組成的彎弓或側卧的「人」字形星座，這就是英仙座。如果把它看成一張弓，在弧線內側的箭頭端有一顆亮星，它就是我們要講的大陵五。

Stellarium 軟體模擬的秋季星空

大陵五是英仙座內一顆明亮的恆星，在中國古代星圖中它是代表王陵的第五顆星。大陵五的英文名為「Algol」，意思是「惡魔之星」，源自阿拉伯文????? al-ghūl，指的是阿拉伯神話中的食屍鬼，傳說中的怪物。在阿拉伯，食屍鬼是一種住在沙漠中的能變化成動物的變身惡魔，尤其是變成食腐的鬣狗。他們會劫掠墓地並以死者的血肉或幼兒為食，亦會將旅人誘至沙漠荒地將其殺害并吞噬。在占星學，大陵五亦被認為是天空中最不幸的恆星。

頭戴隱身帽，腳踏飛天鞋，手持青銅盾和寶劍，全身寶具武裝的珀爾修斯成功地取下了美杜莎的頭

在希臘神話中，大陵五則成了魔女美杜莎邪惡的眼睛。傳說中智慧女神雅典娜要宙斯之子珀爾修斯去取美杜莎的頭，答應事後將他提升到天界。美杜莎是個蛇發魔眼的女怪，她的兩眼閃著駭人的光，任何人哪怕只看她一眼，也會立刻變成毫無生氣的石頭。珀爾修斯在神的幫助下，腳穿有翅飛鞋，頭戴隱身帽，借著青銅盾的反光避開了美杜莎的目光，用寶劍砍下了女怪的頭。然後騎著從魔女身子里跳出來的一匹飛馬，離開了險境。又在回來的路上救下了公主安德羅墨達，並與公主成婚。最後他將美杜莎的頭獻給了智慧女神。女神實踐了她的諾言，將珀爾修斯升到天上，成為英仙座（Perseus）。同時也將公主升到天上成為仙女座（Andromeda）。從此他們在天上幸福地倚靠在一起。如果把整個英仙座的亮星想像成英武的珀耳修斯的話，大陵五正可以看做是他手裡提著的美杜莎頭上的魔眼，因此大陵五又被西方人稱為「魔星」。

不可思議的亮度周期變化

其實稱大陵五為魔星還有一個更重要的原因，那就是它的亮度會忽明忽暗，就像是一顆神秘莫測的魔眼。事實上大陵五——按拜耳亮星命名法為英仙座β，是一個雙星系統。它不僅是被發現的第一對食雙星，更是第一顆被發現的非超新星變星。1667年，義大利天文學家吉米安尼?蒙塔納里發現英仙座的第二顆最亮星突然有一段時間變得比平時暗很多，並察覺到它可能是一顆變星。一百多年後的1782年，18歲的英國聾啞天文愛好者約翰?古德利克通過大量的觀測，發現了大陵五的光變並正確推算出其光變周期。

聾啞天文學家古德利克在18歲的時候通過辛苦的觀測和研究成功地解開了大陵五光變之謎

約翰?古德利克（John Goodricke，1764-1786）是一名英籍荷蘭裔天文學家，在變星領域做出了突出的貢獻。古德利克1764年出生於荷蘭，是英國外交官的兒子，幼年時因發燒導致聾啞。他在少年時就對星空產生了深厚的興趣，富有的雙親理解並鼓勵兒子發展在天文方面的愛好。年幼的古德利克聽不到外面的世界也無法說話，但有一雙善於觀察的眼睛和出色超群的智力。每晚他都會拿起望遠鏡，在繁星閃爍的夜空下享受屬於自己的寧靜。

大陵五的光變曲線圖。伴星擋住主星的時候出現主極小(A和E)，主星擋住伴星的時候出現次極小(C)，兩顆子星互不掩食的時候亮度最大(B和D)

在仰望星空的時候，有一顆星星引起了古德利克的注意——英仙座的大陵五。在夜空中閃閃發光的大陵五，其亮度在不斷變化。正如自己一樣，大陵五也與眾不同，孤獨地在群星之中閃爍。也許正是這一特點吸引了古德利克的注意，並下定決心要解開大陵五之謎，這需要驚人的耐心和細緻的觀察。1782年冬季，經過好幾個月的辛苦觀測、記錄和研究，古德利克發現大陵五的亮度變化有一個規則的周期，並測算出這個光變周期為2天20小時49分8秒。他又馬上提出了大陵五的光變機理，認為這或者是它的表面有黑斑，或者是有一顆我們看不見的伴星圍繞它旋轉，周期性地阻擋了恆星發出的光線。1783年5月古德利克向英國皇家學會報告了他的理論，儘管他關於大陵五的神秘伴星的理論未在當時得到驗證，古德利克的論文還是為他贏得了令人嚮往的皇家學會科普利獎章。接下來的兩年里，古德利克又先後發現兩顆變星：天琴座β（漸台二）和仙王座δ（造父一），並於1786年當選為英國皇家學會會員。可嘆的是兩個星期後，古德利克因過度勞累去世，剛好是他22歲生日之前，真是英年早逝。這位年輕人一直病魔纏身，他的死或許跟他在寒冷的夜晚待得過久有關係。古德利克在無聲的世界裡度過了短暫而燦爛的一生，似流星划過天際，他一生所鍾愛的天文為他帶來了慰藉和榮譽。為紀念這位聾啞天文學家，後來約克大學的古德利克學院以他的名字命名。他的家鄉特地建立了古德利克學會，其主要宗旨是幫助像古德利克那樣不幸的天生聾啞人。

後來哈佛的天文學家愛德華?皮克林於1881年提出大陵五是食雙星的明確證據。1889年，德國天文學家赫爾曼?卡爾?沃格爾發現大陵五的光譜有周期性的多普勒位移，推論是由雙星的徑向速度變化造成的，從而證實了古德利克關於雙星的猜想，並使得大陵五成為最先被確認的分光雙星。

什麼是雙星？

事實上，雙星是很常見的恆星系統。兩顆恆星在相互引力的作用下繞著共同的引力中心而運動，這就形成了一對雙星。這兩顆恆星稱為雙星的子星。一般來說，較亮的子星稱為主星，較暗的子星為伴星。兩顆子星的距離可以很密近，也可能相隔甚遠。

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一對食雙星，指示器的強度顯示光度的變化

在雙星系統中再添加一顆子星就變成了三合星。三顆到十顆恆星在相互引力作用下聚集在一起的系統被稱為聚星或合星。在銀河系中，半數以上的恆星都是雙星。有的之所以剛開始被誤認為單個恆星，是因為雙星的兩顆子星相距得太近了，以至於我們很難分辨它們。亦或是伴星較為黯淡和隱秘而不易被常規手段觀測到，如著名的第一亮星天狼星後來被證實有一顆白矮星伴星。現在隨著觀測方法的多樣性和設備儀器的快速發展，很多之前被認為是單星的後來被確證為雙星。

分光雙星HD171378

雙星的分類方式有多種，按觀測方式可以分為目視雙星、食雙星和分光雙星三大類。而三種類型互有交集，並非單值的分類法。有些目視雙星和許多食雙星又是分光雙星，甚至有的雙星集三種類型於一身。簡單的用望遠鏡就可以把兩顆子星分辨開來的雙星稱為目視雙星。而要用分光方法得到光譜才能分辯出來的雙星，稱為分光雙星。雙星互繞時發生類似日食的現象，從而使雙星的亮度周期性地變化，這樣的雙星為食雙星或食變星。食雙星一般都是分光雙星。

在食雙星中，雙星軌道面與視線方向幾乎平行，互繞的兩顆子星會互相交食而使雙星的亮度（兩子星亮度的疊加）呈周期性的變化。一般來說，在食雙星的每個軌道周期中，光變曲線出現兩個極小：較深的主極小和較淺的次極小。光變曲線的形狀取決於兩子星的大小和軌道面對視線的傾角。

畫家筆下的三合星系統

大陵五屬於食雙星。大陵五主星是顆B8V型主序星，絕對星等-0.4等，質量為太陽的3.8倍，半徑為太陽的2.9倍；伴星為K2型星，絕對星等3.1等，質量為太陽的0.8倍，半徑達到太陽的3.5倍。當伴星運行到主星和觀測者之間，遮住主星，使大陵五亮度下降到3.39等，持續約9.7小時，掩食結束，亮度恢復到2.12等。當主星掩食伴星時，亮度也會下降0.06等。1906年發現大陵五的第三顆星，實際上大陵五是個三合星。

大陵五佯謬

恆星的質量大小各不相同，小到太陽質量的十分之一，大到太陽質量的百倍以上。質量為太陽百倍以上的恆星將很快用完自己的核燃料；而如果星體的質量小於太陽質量的十分之一，那麼它們註定「不夠格」成為恆星——它們的溫度還沒有上升至足以引發核聚變。我們稱它們為「棕矮星」，棕矮星只能靠引力收縮來產生熱量。

穩定發光的恆星都由中心的氫聚變成氦的熱核反應來提供能量，它們將平靜地在主序帶上度過一生中的大部分時間。恆星壽命的長短取決於其自身的質量。雖然質量大的恆星內部有更多的燃料，但是其內部的溫度和壓力也相應更高，這使核聚變反應的強度也成倍增大。這導致大質量恆星演化得更快，其壽命就短於小質量恆星。就好比兩個人，一個人較為富有，他毫不節制地揮霍自己的財產，所以很快財富耗盡。另一個人財富較少，但生活過得非常節制，反倒是他的財富用了很長時間。

然而，當人們觀測大陵五時卻發現，大質量的大陵五A還在主序帶上，正值壯年；小質量的大陵五B已經是稍後階段的亞巨星，垂垂老矣。大陵五中小質量的恆星卻演化得快，這個觀測結果與恆星演化理論相悖，這個矛盾就是有名的「大陵五佯謬」。

雙星系統的洛希瓣模型。其中一顆子星的體積超過了自身的洛希瓣就會發生洛希瓣溢流

在雙星系統中，每個恆星在它的周圍會有自己的「固有領地」，稱為洛希瓣。如果恆星膨脹至洛希瓣的範圍之外，這些物質將會擺脫掉恆星引力的束縛。而在雙星系統中，如果一顆子星演化到主序帶之後的階段，它的體積就會增大並溢滿了自身的洛希瓣，這樣一部分物質就會脫離它的束縛而進入到伴星的引力範圍內。這樣的結果是質量從一顆恆星經過所謂第一拉格朗日點轉移到另一顆恆星。在雙星演化的過程中，這種質量傳輸被稱為洛希瓣溢流。洛希瓣溢流是產生大陵五佯謬的根源。

兩顆恆星通過拉格朗日點進行質量轉移，這在雙星系統中較為常見

現在認為小個子的恆星原本質量更大，當它演化成亞巨星時，自身不斷膨脹並充滿了洛希瓣，這時就會將質量大量轉移給仍處於主序階段的伴星。經過快速的質量轉移，本來質量較大的恆星反而變得質量小了起來。之後質量轉移速率慢了下來，就變成了我們現在所看到的情況。

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