宇宙之謎：會「呼吸」的恆星，宇宙的測天神器！

一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星。掛在天上放光明，好像千萬小眼睛。

這首人人都會唱的兒歌告訴我們，星星在夜空中會閃爍發光，向著心儀的人兒眨眼傳情。事實上，絕大多數恆星並不會眨眼睛，很長時間裡都保持著同樣的亮度，眨眼睛只是因為它們在天上呆了幾十億年，實在太累了。好吧，其實是因為它們的光線經過地球大氣層時，受不均勻空氣的折射而發生的明暗變化。

但宇宙空間里確有一些恆星，它們時明時暗，亮度發生著周期性的變化，這就是造父變星，一種會「呼吸」的恆星。而它的周期性亮度變化，更使之成為星系、星團的最佳距離測量工具之一，被稱為宇宙的標準燭光、量天尺。

那麼造父變星究竟是什麼恆星，它會「呼吸」又是怎麼一回事呢？為什麼它會成為測量星系距離的標準燭光呢？

原來較大質量恆星演化到一定階段，就會變得不穩定，向內的重力和向外的輻射壓力會失去平衡，導致恆星外部包層出現周期性的膨脹和收縮脈動。正常情況下，外部包層的不透明度與密度成正比，又與溫度的3.5次方成反比，因此當脈動使恆星半徑減小溫度上升時，降低的不透明度又會加快能量釋放，減緩包層的收縮幅度。

但造父變星的包層擁有部分電離的氦原子，在收縮初期半徑減小、密度增加的同時，部分電離的氦原子會吸收能量，轉化為雙電離氦原子(缺少兩顆電子的氦原子) ，而溫度卻不發生變化。由於雙電離氦原子更不透明，從而使不透明度不降反增，加快了恆星收縮。但收縮到一定程度後，壓力的增加又會引發包層向外擴張，導致溫度降低，使雙電離氦原子不復存在，不透明度回到正常狀態，恆星再度開始收縮。這個過程不斷地周期性重複，就像人呼吸的時候肚子一起一伏，這就是造父變星會「呼吸」的秘密。

由於光變的成因是恆星自身脈動導致的溫度變化，造父變星的半徑變化幅度並不大，約為5%-10%。但與我們慣常的印象相反，造父變星半徑最大時亮度最小，最小時亮度反而最大，一次周期性脈動漲縮變化的時間從一天到100天不等。

如果不了解這個過程和原因也沒什麼關係，最重要的是，科學家們經過研究發現，造父變星的光度和脈動周期有著非常強的確定關係，越大越亮的造父變星光變周期也就越長，反之則越短。人們把這叫做周光關係，並得到了周光關係曲線。於是一種革命性的比較造父變星遠近的方法被提了出來：如果兩顆造父變星的光變周期相同，則可認為它們的光度相同。這樣只要用其他方法測量了較近造父變星的距離，掌握周光關係的變化規律，再找到遙遠星團、星系中的造父變星，就可以將星團、星系的距離測量出來。

最著名的一顆造父變星是仙王座δ星，在5.6天的周期中會發生幅度約0.7等的亮度變化，它的中文名稱是造父一，因而人們以造父變星來稱呼這類恆星。造父一是第一顆被發現的變星，也是驗證周光關係時最重要的一顆造父變星，因為它的距離是造父變星中最精確的。

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