恒星的光度和亮度

在19世紀(jì)早期的時(shí)候，天文學(xué)家們都將目光聚焦于太陽(yáng)系，對(duì)太陽(yáng)系的所有恒星都進(jìn)行了觀測(cè)并予以分類匯編，一直從事前輩早就開(kāi)始的研究工作。恒星爆炸分別于1572年和1604年被第谷和開(kāi)普勒觀測(cè)到。當(dāng)時(shí)，這兩位天文學(xué)家就提出恒星是一些會(huì)發(fā)生變化的星體的猜想，但是數(shù)個(gè)世紀(jì)以來(lái)，天文學(xué)家對(duì)恒星仍然知之甚少。

1814年，住在慕尼黑的一名光學(xué)儀器制造者約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫發(fā)明了第一部簡(jiǎn)單的分光鏡。這種分光鏡設(shè)備可以將光分離出來(lái)。太陽(yáng)光先是進(jìn)入分光鏡狹小的切口，然后穿過(guò)一個(gè)棱鏡，而這個(gè)棱鏡則把陽(yáng)光折射成一個(gè)有著近600條較暗光線的太陽(yáng)光譜。弗勞恩霍夫的這個(gè)發(fā)明引起了物理學(xué)家、化學(xué)家以及天文學(xué)家的廣泛關(guān)注。1859年，德國(guó)物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫和他的化學(xué)家同事羅伯特·本生發(fā)現(xiàn)，每一種暗線都與特定的化學(xué)元素相對(duì)應(yīng)。于是，他們確定了這些暗線所對(duì)應(yīng)的各種金屬種類，并在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了兩種新的化學(xué)元素：銫和銣。這兩種金屬的英文名稱實(shí)際上都來(lái)自拉丁文，分別為藍(lán)灰色和藍(lán)紅色的意思。

在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，基爾霍夫開(kāi)始知道暗線的產(chǎn)生原理。在他將太陽(yáng)的光譜穿越黃色鈉焰的時(shí)候，本以為高亮的火焰會(huì)將太陽(yáng)光譜中的暗鈉線突顯出來(lái)，然而事實(shí)正好相反，暗鈉線反而變得更加暗淡了。于是，基爾霍夫做出了如下的推斷：太陽(yáng)的大氣層（如鈉焰一般）中含有被太陽(yáng)光線的黃色波段所吸收的鈉蒸氣。

基爾霍夫關(guān)于光線吸收的理論，需要太陽(yáng)表面存在著一層熾熱的大氣層。試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)顯示，白熱物體或熔化中的金屬會(huì)持續(xù)產(chǎn)生一種被稱為“譜斑”的明亮斑片。隨著時(shí)間的推移，物理學(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高壓下的熾熱氣體也會(huì)產(chǎn)生一種持續(xù)性的光譜。

隨著天文學(xué)家將越來(lái)越豐富的天文觀測(cè)設(shè)備都指向太陽(yáng)，人們對(duì)于所知恒星的本質(zhì)問(wèn)題也產(chǎn)生了越來(lái)越多的疑問(wèn)。在一次日全食的過(guò)程中，很多人都驚呆了，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了在黯淡的月面外環(huán)周圍有一個(gè)明亮的、白色的、薄如絲線的冠狀物。與此同時(shí)，巨型天文設(shè)備也探測(cè)到了日珥。日珥是在離太陽(yáng)側(cè)翼較遠(yuǎn)處由氣體噴發(fā)而產(chǎn)生的如羽毛般的、明亮的突出物。這些特征（指日珥和前述月亮周圍的冠狀物）是否屬于太陽(yáng)或月亮大氣層的一部分呢？通過(guò)分光鏡的進(jìn)一步觀測(cè)以及物理學(xué)的最新成果，人們逐漸找到了答案。實(shí)際上，它們是發(fā)生在太陽(yáng)不同表層的物理過(guò)程所造成的。

1866年，英國(guó)的業(yè)余天文愛(ài)好者約瑟夫·諾曼·洛基爾發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可以仔細(xì)觀測(cè)太陽(yáng)的簡(jiǎn)單方法。他將太陽(yáng)的遠(yuǎn)視圖像投射到位于分光鏡前面、有一個(gè)狹小的切口面（可以移動(dòng)）的屏幕上。這樣一來(lái)，太陽(yáng)的不同部位所發(fā)出的光線就會(huì)穿過(guò)這里。此時(shí)，他觀察到太陽(yáng)黑子的光譜線強(qiáng)度要比黑子外區(qū)域的光譜線強(qiáng)度弱一些。根據(jù)此變化，洛基爾得出了太陽(yáng)黑子發(fā)生區(qū)域是溫度相對(duì)較低地區(qū)的結(jié)論。

他還掃視了太陽(yáng)側(cè)翼的日珥部分。洛基爾得出的理論是：這些外觀明顯的紅色火焰實(shí)際上是熾熱的氣體形式，它們可以發(fā)出屬于不同光譜范圍的明亮光線。在一次對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)候，他找到了自己一直苦苦尋找的東西。他回憶道：“我看到了一道明亮的光線閃過(guò)那個(gè)地方。”他對(duì)這條光線的各種特征進(jìn)行了分析，從而做出了如下的推斷：日珥基本上是由氫氣組成的。

1868年8月，法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·朱爾斯·愷撒在一次日食中發(fā)現(xiàn)了屬于太陽(yáng)光譜的一道亮黃色光線。兩個(gè)月之后，洛基爾也探測(cè)到了這道光線。因?yàn)橐郧皬膩?lái)沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)過(guò)這種形式的光線，所以洛基爾推定其必然是由一種尚未被發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)過(guò)的地球元素發(fā)射的。英國(guó)化學(xué)家愛(ài)德華·弗蘭克蘭德后來(lái)將這一新的元素命名為氦氣——這種氣體以太陽(yáng)神赫利俄斯的名字命名。

在19世紀(jì)的后半期，許多新的天文臺(tái)得以建立，許多新的攝影技術(shù)在天文學(xué)中被廣泛應(yīng)用。月球的第一張照片是當(dāng)時(shí)銀板照相技術(shù)的作品，它是1840年由英國(guó)天文學(xué)家約翰·威廉·德雷珀親手拍下的。他的兒子、美國(guó)天文學(xué)家亨利·德雷珀于1872年拍下了位于天琴座中光亮奪目的恒星，即織女星的光譜圖。隨著越來(lái)越多的恒星光譜的收集，科學(xué)家們開(kāi)始拼湊出一張有關(guān)不同門類恒星的一般結(jié)構(gòu)和溫度統(tǒng)計(jì)的宏觀布局圖。在意大利天文學(xué)家皮埃特羅·安杰洛·塞奇的研究成果的基礎(chǔ)上，德雷珀發(fā)明了一種可以將恒星光譜分成16個(gè)種類的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法。1882年，德雷珀英年早逝，他的遺孀在哈佛大學(xué)天文臺(tái)成立了專門基金以繼續(xù)完成其未完成的研究事業(yè)。當(dāng)時(shí)哈佛大學(xué)天文臺(tái)的臺(tái)長(zhǎng)愛(ài)德華·查爾斯·皮克林開(kāi)始借助分光鏡對(duì)整個(gè)太空進(jìn)行大掃查。皮克林還雇用了很多助手來(lái)幫助進(jìn)行這項(xiàng)研究工程，在這些助手中，多數(shù)都是女性。雖然報(bào)酬不是很高，但是她們卻要分析數(shù)以千計(jì)的恒星和恒星光譜的攝影圖像，還要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)確定每一顆恒星的準(zhǔn)確位置和結(jié)構(gòu)。

在皮克林臺(tái)長(zhǎng)去世之后，一位名叫安妮·詹普·坎農(nóng)的女助手繼續(xù)留下來(lái)檢查這些含有恒星光譜的照相板。她的工作是先分析光譜圖，然后把這顆恒星的分類告訴另一位專門負(fù)責(zé)記錄的助手。她的工作速度快得出人意料，而且還很少出錯(cuò)——她可以在1分鐘之內(nèi)完成3顆恒星的分類工作。1915～1924年，坎農(nóng)一直負(fù)責(zé)著“亨利·德雷珀星表”的項(xiàng)目。她對(duì)總數(shù)大約為225300顆恒星的光譜進(jìn)行了匯編和分類。她的分類法（即“O, B，A, F，G, K，M”分類法）令人感到振奮和鼓舞。這種分類法至今仍然被天文學(xué)學(xué)生所使用。它來(lái)自于讓人過(guò)目不忘的“Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me！”（哦，親愛(ài)的姑娘/小伙，親我一下吧！）的首字母縮寫。

到1910年，坎農(nóng)的分類法得到了廣泛接受和應(yīng)用。天文學(xué)家也開(kāi)始思考恒星的固有亮度與其所述光譜類型的關(guān)聯(lián)性。1911年，天文學(xué)家埃希納·赫茨普龍和漢斯·路茲伯格開(kāi)始用圖形方式表示出金牛座中昴宿星團(tuán)和畢宿星團(tuán)的恒星成員之間的關(guān)系。普林斯頓天文學(xué)家亨利·諾利斯·羅素在不久之后也進(jìn)行了相同的研究工作。

這些天文學(xué)家的共同成果便是赫羅圖的誕生。赫羅圖展示了恒星光譜類型（該恒星溫度的標(biāo)志）與恒星亮度（發(fā)光度）之間的相互關(guān)系。

發(fā)光度被列在赫羅圖的垂直軸上，溫度則被列在水平軸上。位于赫羅圖左上方的恒星屬于熾熱的、初期的、巨型藍(lán)星，而在右上方的則是即將壽終正寢的、溫度低一些的巨型紅星或超巨型紅星。位于左下方的恒星屬于白矮星；在赫羅圖正中央，從左上方一直到右下方，全部都是主序星，大約90%的恒星都處于這個(gè)地帶。

但是，天文學(xué)家對(duì)恒星如何發(fā)光的問(wèn)題仍然知之甚少。1917年，愛(ài)丁頓開(kāi)始研究一種關(guān)于恒星能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的理論。憑借著在天文學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域非常深厚的知識(shí)背景，以及對(duì)原子物理學(xué)和狹義相對(duì)論理論的先知先覺(jué)，愛(ài)丁頓有足夠的能力來(lái)證明熱能是通過(guò)源自恒星的輻射來(lái)傳遞的。此外，他還進(jìn)行了如下的推論：在恒星內(nèi)部達(dá)到非常高的溫度時(shí)，電子會(huì)從它們所屬的核子身邊逃離，由此形成所謂的離子。

最終，愛(ài)丁頓悟出了恒星質(zhì)量和恒星發(fā)光度之間的關(guān)系。他認(rèn)為，恒星的質(zhì)量完全按照愛(ài)因斯坦的公式即E=mc2被轉(zhuǎn)換成能量。他將自己的研究成果加以概括和總結(jié)，并于1926年寫成《恒星的內(nèi)在結(jié)構(gòu)》一書(shū)。愛(ài)丁頓認(rèn)為，雖然恒星將氫氣轉(zhuǎn)換成氦氣，但是當(dāng)時(shí)的亞原子物理學(xué)理論尚未能夠?qū)@一轉(zhuǎn)化機(jī)制給出一個(gè)令人滿意的解答。

一直到1939年底，也就是漢斯·亞布勒希特·貝特公開(kāi)發(fā)表了他的論文《恒星的能量生產(chǎn)》的時(shí)候，科學(xué)家們才知道了恒星能量的源泉。貝特認(rèn)為，98%以上的太陽(yáng)能量都是來(lái)自氫氣轉(zhuǎn)換成氦氣的反應(yīng)過(guò)程。他的這個(gè)觀點(diǎn)是正確無(wú)誤的：在每1秒鐘之內(nèi)，太陽(yáng)都要把7億噸氫氣轉(zhuǎn)化為6.95億噸氦氣，余下的500萬(wàn)噸物質(zhì)（約為尼亞加拉大瀑布1秒鐘傾瀉的水流質(zhì)量的600倍）全部轉(zhuǎn)化成純能量的形式。