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星等与光谱

时间:2023-02-09 归属:大环境地理学
  银河光带内的星座完全位于银河光带以内的星座有天鹅座(Cygnus)、 仙后座(Cassiopeia)以及天蝎座(Scor-pius)。在银河两岸遥遥相对的大 星有织女星(天琴座)和牵牛星(天鹰座)。此外,尚有三颗亮星的分布略 似一个三角形,即北岸南河三(小犬座α)、南岸天狼星(大犬座α)及参 宿四(猎户座α)。 视星等西方天文学家重视“星等”(stella magnitude)。大约在公元 前 2 世纪,古希腊天文学家喜帕恰斯及公元 2 世纪希腊天文学家托勒密编制 了天空中 850 颗恒星的位置和亮度的星表,他们把天空中约 20 个亮星作为 1 等星,把模糊不清的暗星作为 6 等星,其间又分为 4 等。数字愈大,光度愈 弱。后来发明了望远镜,能看见更弱的星光。以科学方法来比较,第 1 等星 光的亮度恰巧是第 6 等星光的 100 倍。其间,星等相差 1 等,亮度的比率相 差 2.512 倍。这个比率数字正是数字 100 的 5 次平方根,如下式表示: 2.512×2.512×2.512×2.512×2.512=2.5125 =100人的视力所看到的星 的亮度,凡亮度差 1 等,相当于光度差的比率 2.512 倍,可见人的视觉是很 有规律的。例如 200 瓦灯泡比 100 瓦灯泡亮,但这 200 瓦的亮度并不是比 100 瓦的多 1 倍亮;而 400 瓦的也不是比 100 瓦的亮 4 倍;然而 100 瓦与 200 瓦 彼此的亮度比率,相当于 200 瓦与 400 瓦的亮度比率,这比率正是 2.512 倍。 这例子说明了肉眼所观测的星等间隔,实际上就是星等之间的亮度比率。 所谓“视星等”(apparent magnitude),指在地球星上观测恒星的亮 度等级。有两个因素值得考虑:(1)这颗恒星距地球星有多远?愈近,亮度 愈大;愈远,亮度愈小。(2)这颗恒星本身究竟有多亮?温度愈高且质量愈 大,愈亮;温度愈低且质量愈小,愈不亮。当喜帕恰斯定出第 1 等星后,有 些人又发现天空尚有更亮的星,超过那些属于第 1 等的亮星。例如织女星, 它比角宿一(室女座α)、天津四(天鹅座α)、心宿二(天蝎座α)等星 亮得多,被定为 0 等星。天狼星更亮,加用负号表示,即为-1.5 等。凡在 0 等以上的用负号表示,凡在 0 等以下的用正号表示。例如老人星,其视星等 为-0.72 等;五车二视星等为+0.05 等。 太阳恒星距地球星最近,视星等也最高,为-26.5 等;天狼星视星等为 -1.5 等,两者相差(-26.5 减去-1.5)为 25,这说明太阳视星等比天狼星高 25 等。上文已说明,恒星星等每差 5 等,亮度比率为 100 倍;由此可见,现 今太阳视星等的亮度要比天狼星视星等的亮度高 100 亿倍(其计算公式为天 狼星 102×102×102×102×102 =1010),毫无实际意义。因此,必须采用绝对 星等。 绝对星等绝对星等(absolute magnitude)是依据想象在等距离上的视 星等,即把所有的恒星都置于距地球星或说距离我们的眼睛 10 秒差距(即 32.62 光年)处所测得的星等。这种方法可以表示恒星的真实光度或实在的 亮度。在观测恒星的视星等时,由于各星距地球星的距离远近不同,所测得 的视星等是不合乎科学原则的。
  在观测绝对星等时,把各星相对于地球星的 位置都放在同样的距离处,这样合乎科学原则。 设想把太阳及一切恒星都放在离地球星 32.62 光年远处,原来距离我们 较近的恒星,这时候变得更暗更昏;原来距离我们较远的恒星,这时候会显 得更明更亮。可根据平方反比律来推算。例如太阳恒星距我们只有 1 个天文 单位(1.5 亿公里),它原来的视星等是-26.5 等,如把它送到规定的距离 32.62 光年远后,它的视星等下降为+4.8 等。这是它的视星等,同时也是它 的绝对星等。同样,天狼星距我们 8.7 光年,视星等为-1.5 等,当移到规定 的距离(32.62 光年)后,光度变暗,为+1.5 等,这是它的视星等,同时也 是它的绝对星等。又例如北极星距我们 700 光年远,星光很暗,视星等为+2.3 等,移到规定距离后距我们较近,距离几乎缩短 20 倍,视星等升为-4.6 等, 这也是它的绝对星等。依据我们的眼睛,感到太阳最亮,其次是天狼星,北 极星最暗。这是视星等的现象。如果改用绝对星等来作比较,北极星最亮(-4.6 等),天狼星次之(+1.5 等),太阳最暗(+4.8 等)。 光谱及其分类恒星发出的光经过色散系统(如光栅)分解后形成色带, 叫做恒星光谱。绝大多数都与太阳光谱相似,为吸收光谱。恒星表面氢的吸 收线有强有弱。如果氢被电离即一个氢原子失去它的电子后,叫做电离氢, 不能显示光谱线。
  有一位美国天文学家叫安妮·坎农,她独自分析 5 万颗恒 星的光谱,并给它分类。 19 世纪末美国哈佛大学天文台就开始向恒星拍照,研究光谱。发现恒星 表面辐射的热,如为高温,必然明亮;如为低温,必然红暗。温凉的星为红 色;炽热的星为蓝色或青白色。因此,根据恒星光谱线的相对温度可把恒星 分为下列七个类型,用英文大写字母 O、B、A、F、G、K、M 来代表,后又加 R、N、S 型。每个类型中又用数字表示分为 10 个次型。 O 型代表高热的恒星。温度由 30000°K 到 60000°K。远望星光是蓝色或 青色。例如蝎虎座第 10 星(10 Lacerta)。这 O 型恒星很少见,因为高温易 使氢原子丧失它的电子,变为电离氢而不能显示光谱线。O 型恒星年龄较幼。 O 型又可再分为 10 个次型级。第一级是 O0型;第 10 级是 O9型。在地球星附 近的宇宙空间内迄今尚未发现一颗合乎 O0型的恒星,也无 O1型或 O2型。 B 型也代表高热的星,温度由 10000°K 到 30000°K。也是蓝光星或蓝白 星。光谱内氢线很强。更强的是中性氦线。例如猎户座β星参宿七及室女座 α星角宿一(Spica)。参宿七距地球星 800 光年,光谱为 B8 型。角宿一距 离为 260 光年光谱为 B1型。 A 型代表中温的热星。温度由 7500°K 到 10000°K。星光蓝白色。氢线 极强,并有金属元素吸收线,例如镁、钙、硅、铁、钛等元素吸收线。天狼 星及织女星都属于这一类。 F 型代表中温的热量。温度由 6000°K 到 7500°K。星光是蓝白色或白色。 氢线较弱,钙电离以后钙线很强。例如老人星及南河三(Procyon)。后者是 小犬座阿耳法星。 G 型代表微温的热星。
  温度由 5000°K 到 6000°K。星面是白色或黄色。 电离钙线很强,也有中性金属线。例如五车二(Capella)及太阳恒星。前者 是御夫座阿耳法星。太阳也是淡黄色。如果太阳是 B 型或 O 型,我们居住的 地球星受高热辐射,所有的水会被蒸发,立即变为沙漠。太阳是黄光二级星, 写成 G2。如果在 G 字前加α,成为αG2。α是矮星,表示它是一颗矮的黄色 二级星。 K 型代表凉星。温度由 3500°K 到 5000°K。星光为橘黄色。金属元素吸 收线特别明显。例如大角星(Arcturus)及毕宿五(Aldebaran)。前者是牧 夫座α星;后者是金牛座α星。 M 型代表更凉的星。温度低于 3500°K(2500~3500°K)。星色是红的。 有强烈的中性金属元素吸收线;也有分子线。分子不分裂为原子。例如参宿 四(Betelgeuze),它是猎户座α星,距地球星 650 光年。光谱型为 M2。又 例如心宿二(大火,Antares),是天蝎座α星,距地球星 420 光年,是双星, 光谱是 M1型。 为便于记忆,美国学者编出一句顺口溜:“ O!Be AFine Girl, Kiss Me。” 这一句英语包括 O、B、A、F、G、K、M7 个英文大写字母,代表上述 7 种光谱 型,易记易懂。
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