作者：栗小白(SDU)?

審核：時(shí)光?

題記

? ? ????既然是“科普”，我們不寫(xiě)高深莫測(cè)的黑洞、量子力學(xué)、M理論（下次可就不一定不整這些了），也不整一些看不懂的數(shù)學(xué)符號(hào)或者名詞唬人（這個(gè)請(qǐng)放心，肯定不會(huì)在鄙人的文章里出現(xiàn)，因?yàn)楸扇说臄?shù)學(xué)也不好），甚至連公式都沒(méi)有（之所以沒(méi)有是因?yàn)樘yprint了）。這篇文章介紹了和恒星有關(guān)的最最最最最基本的概念和關(guān)于恒星的研究，還有更多方面就不贅述了。那么，正文正式開(kāi)始！?

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Part 1 光度和視亮度?

????????顧名思義，光度?和?視亮度?這兩個(gè)物理量表示的是星星有多亮，兩者既有區(qū)別又有聯(lián)系。?

區(qū)別：

1、光度是恒星的?固有?屬性，與觀察者的位置速度無(wú)關(guān)。光度也被稱為絕對(duì)亮度。

2、視亮度測(cè)量的則是從地球上觀測(cè)到的來(lái)自恒星的?能量通量（單位面積單位時(shí)間內(nèi)接收到的能量）。

聯(lián)系?：

用腳指頭想一下，視亮度肯定是和星星?本身有多亮（光度）和星星與我們之間的?距離?有關(guān)。那么視亮度和距離有什么關(guān)系呢？這又是一個(gè)?平方反比律。我們看看圖1的圖解就非常容易理解了這個(gè)關(guān)系了。

????????綜上，我們發(fā)現(xiàn)恒星的視亮度和恒星的光度成正比，和距離的平方成反比。?

????????想必各位天文愛(ài)好者或多或少都有用天文軟件觀星的經(jīng)歷，也大致理解天文軟件上的星等的含義。不過(guò)作為一篇科普文章，我們還是要隆重介紹一下“視星等”這一概念。?

????????和各位一樣，天文學(xué)家們通常也是使用視星等標(biāo)度來(lái)測(cè)量視亮度的，而不是使用國(guó)際單位（W/m2）。視星等這一概念可以追溯到公元前2世紀(jì)，由天文學(xué)家伊巴谷提出。伊巴谷最初將視星等分為6等（1,2,3,4,5,6），不過(guò)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在定義的視星等已經(jīng)遠(yuǎn)不止6等了。視星等不僅可以是?小數(shù)，可以是?超過(guò)6的數(shù)，還可以是?負(fù)數(shù)。不過(guò)視星等的規(guī)則依然是?數(shù)值越小，視亮度越大。?

?????????設(shè)想一下，如果有一顆恒星非常亮，但它距離地球十分遙遠(yuǎn)，那么它的視星等可能還不如距離我們更近的一顆暗星。有沒(méi)有什么方法可以客觀的比較天體自身的光度呢？當(dāng)然有，還有一個(gè)概念叫做?絕對(duì)星等。絕對(duì)星等是指把天體放在指定的距離時(shí)（10秒差距）天體所呈現(xiàn)出的視星等。通過(guò)絕對(duì)星等就可以把天體的光度在不受距離的影響下，作出客觀的比較。?

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Part 2 恒星溫度?

????????每次我們看星圖的時(shí)候，都可以看到不同顏色的恒星，從這些恒星的顏色就可以知道恒星的溫度。圖2展示了部分恒星的顏色與溫度。

????????有很多人（比如我）在學(xué)習(xí)天文之前一度認(rèn)為紅色的恒星溫度高，藍(lán)色恒星溫度低（說(shuō)不定你看到這的時(shí)候也是這么認(rèn)為的呢）。是啊，從顏色心理學(xué)的角度出發(fā)，紅色很容易給人溫暖的感覺(jué)（火焰），而藍(lán)色則給人冰冷的感覺(jué)（冰洞）。顏色帶來(lái)的感受通常符合我們一般的認(rèn)知，但是為什么用到恒星上就不太符合常識(shí)了呢？這就不得不說(shuō)到顏色和黑體曲線的關(guān)系了（圖3）。

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????????任何一個(gè)理科生說(shuō)沒(méi)見(jiàn)過(guò)這個(gè)圖筆者可都會(huì)和你爭(zhēng)論一番，因?yàn)檫@不就是選修三上的黑體曲線圖嗎。這個(gè)圖的結(jié)論就是：黑體溫度越高，輻射峰值波長(zhǎng)越短（頻率越高）。紅光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的不就是溫度低嗎？而藍(lán)紫光的波長(zhǎng)更短，對(duì)應(yīng)的不就是溫度高嗎？根據(jù)這個(gè)原理（黑體曲線），天文學(xué)家可以測(cè)量恒星的溫度。具體操作方法如下：?

????????由于我們對(duì)黑體曲線的基本形狀十分了解，因此天文學(xué)家可以僅利用兩個(gè)波長(zhǎng)處的觀測(cè)來(lái)估計(jì)恒星溫度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可通過(guò)使用望遠(yuǎn)鏡濾光片來(lái)屏蔽特定波長(zhǎng)范圍之外的光。他們通過(guò)測(cè)量不同顏色濾光片（也就是特定波長(zhǎng)）所接收到的輻射，就能擬合出黑體曲線，得出溫度（如圖4，這種方法被成為測(cè)光）。?

?????????說(shuō)到光譜，我首先想到的是高中化學(xué)選修二物質(zhì)結(jié)構(gòu)里用光譜分析化學(xué)元素的操作。沒(méi)錯(cuò)，光譜是揭示恒星的化學(xué)成分的重要方法，以下是官方解釋：光譜是天文學(xué)家所使用的一種結(jié)合望遠(yuǎn)鏡和理論研究的觀測(cè)手段，主要反映了原子的內(nèi)在活動(dòng)，可以通過(guò)物質(zhì)發(fā)出和吸收的輻射來(lái)推斷其性質(zhì)。?

????????說(shuō)句題外話，在說(shuō)具體的恒星譜線分析之前，還是想把三條支配光譜學(xué)的準(zhǔn)則——基爾霍夫定律?端上來(lái)：?

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1.?發(fā)光固體或液體，或是夠致密的氣體發(fā)出所有波長(zhǎng)的光，因此產(chǎn)生的是連續(xù)譜輻射。?

2.?低密度、熱氣體發(fā)出的光的光譜由一系列明亮的發(fā)射線組成，這些發(fā)射線是氣體的化學(xué)成分所特有的。?

3.?冷且稀薄的氣體吸收連續(xù)譜中特定波長(zhǎng)的輻射，使產(chǎn)生吸收的位置變暗形成吸收線，疊加在連續(xù)譜之上。同樣，這些吸收線也是中介氣體的成分所特有的——它們正好出現(xiàn)在與氣體在高溫時(shí)發(fā)出的發(fā)射線波長(zhǎng)相同的位置上。?

????????回到正題，接下來(lái)說(shuō)說(shuō)譜線分析的主要應(yīng)用。?

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光譜溫度計(jì)?

????????在熾熱的恒星內(nèi)部，原子是被完全電離的。電子在氣體中自由運(yùn)動(dòng)，不受任何原子核束縛，因此輻射譜是連續(xù)的。然而，在相對(duì)較冷的恒星表面附近，某些原子保留了一些甚至是大多數(shù)的軌道電子。如前文所述，天文學(xué)家可以通過(guò)將他們所見(jiàn)的譜線與已知原子、離子和分子的實(shí)驗(yàn)室光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，來(lái)確定恒星的化學(xué)成分。譜線的強(qiáng)度(亮度或暗度，取決于在發(fā)射或吸收時(shí)譜線是否可見(jiàn))取決于產(chǎn)生譜線的原子數(shù)量。越多的原子發(fā)射或吸收恰當(dāng)頻率的光子，譜線就越強(qiáng)。但譜線的強(qiáng)度也極度依賴于包含這些原子的氣體溫度，因?yàn)?溫度決定了在任意時(shí)刻有多少電子正處于正確的軌道并發(fā)生特定的躍遷。簡(jiǎn)而言之，在低溫下，只有低能態(tài)的數(shù)目是傾向于增加的，這些能態(tài)向內(nèi)或向外發(fā)生的躍遷主導(dǎo)了光譜。在更高溫度下，更多的原子處于激發(fā)狀態(tài)，一些可能被電離，這從根本上改變了可能發(fā)生的躍遷的性質(zhì)以及我們因此可見(jiàn)的光譜。?

????????光譜學(xué)家已經(jīng)給出了相關(guān)的數(shù)學(xué)公式，將發(fā)射或吸收的光子數(shù)目與所涉及的原子能級(jí)以及氣體的溫度聯(lián)系起來(lái)。一旦天體的光譜被測(cè)量得到，再通過(guò)將觀測(cè)到的譜線強(qiáng)度與公式所預(yù)測(cè)的結(jié)果相匹配，天文學(xué)家就可以解釋這些光譜。如此，天文學(xué)家能夠從測(cè)量結(jié)果中提煉出產(chǎn)生這些譜線的氣體成分和溫度。

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視相速度的測(cè)量?

????????許多原子、離子和分子的光譜是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量而大白于天下的。然而，熟悉的譜線排列雖然經(jīng)常出現(xiàn)，但這些譜線卻?偏離?它們通常的位置。換句話說(shuō)，一組譜線可能被認(rèn)為屬于某種特定的元素，但實(shí)際測(cè)量得到的譜線相較于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)整體移動(dòng)了相同的比值——這被稱作?藍(lán)移?或者?紅移。這些移動(dòng)是由?多普勒效應(yīng)造成的，這使得天文學(xué)家可以測(cè)量輻射源沿觀測(cè)者的視線方向移動(dòng)得有多快(源的視向速度)。?

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光譜型?

????????恒星的光譜型如圖5所示，從最熱到最冷的依序排列為?O，B，A，F(xiàn)，G，K，M。在學(xué)界有一個(gè)用于背誦該順序的廣泛流傳的有趣的口訣：Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss Me（噢，做一個(gè)好女孩/男孩，親吻我）。

Part 4 赫羅圖?

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????????赫羅圖（Hertzsprung–Russell diagram，簡(jiǎn)寫(xiě)為HR diagram或HRD）是以恒星的?絕對(duì)星等（或光度）相對(duì)于?光譜類型（或有效溫度）繪制的散布圖。更簡(jiǎn)單的說(shuō)，它將每顆恒星繪制在一張圖表上，可以測(cè)量它的溫度（顏色）和光度，而它與每顆恒星的位置無(wú)關(guān)（如下圖所示）。相關(guān)的?顏色-星等圖（Colour–Magnitude diagram，CMD）繪制的是恒星的?視星等?和?顏色，通常是針對(duì)恒星都在相同距離上的星團(tuán)繪制。圖6展示了赫羅圖，圖中橫坐標(biāo)表示表面溫度，從右向左溫度升高（光譜型序列）；縱坐標(biāo)表示絕對(duì)星等。

????????赫羅圖可以顯示恒星的演化過(guò)程：大約90%的恒星都位于赫羅圖左上角至右下角的帶狀區(qū)域上，這塊條帶區(qū)域被稱為?主序帶，位于主序帶上的恒星稱為?主序星。沿著主序帶從上到下，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常明顯的變化趨勢(shì)：?

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-?位于左上端的恒星很大、很熱、很亮，稱為?藍(lán)巨星?

-?位于右下角恒星很小、很冷、很暗，稱為?紅矮星?

????????別看紅矮星又小又冷，人家也被稱為宇宙中的“壽命之王”呢。那我們的太陽(yáng)在哪里呢？太陽(yáng)處于主序帶的中間位置，被稱作?黃矮星。?

????????形成恒星的分子云位于圖中極右的區(qū)域，但隨著分子云開(kāi)始收縮，其溫度開(kāi)始上升，便會(huì)慢慢移向主序帶。恒星臨終時(shí)會(huì)離開(kāi)主序帶，往右上方移動(dòng)：這里是?紅巨星及紅超巨星?的區(qū)域，都是表面溫度低而光度高的恒星。經(jīng)過(guò)紅巨星但未發(fā)生超新星爆炸的恒星會(huì)越過(guò)主序帶移向左下方，這里是表面溫度高而光度低的區(qū)域，是?白矮星?的所在區(qū)域。接著白矮星們會(huì)因?yàn)槟芰康膿p失，漸漸變暗成為?黑矮星。

后記

????????在赫羅圖中，我們可以得到關(guān)于恒星的很多信息，鄙人就對(duì)赫羅圖就比較感興趣（夾帶私貨）。最后在這里列幾個(gè)與赫羅圖名詞，有興趣可以百度一下：矮星，白矮星，紅矮星，黃矮星，紅巨星，藍(lán)巨星，沃爾夫-拉葉星（一種特殊的藍(lán)巨星）。?

????????第一次寫(xiě)科普，感覺(jué)自己收獲還挺多的，轉(zhuǎn)眼寫(xiě)到凌晨四點(diǎn)了，看來(lái)今天又要12點(diǎn)起床嘍。?

????????寫(xiě)于癸卯年正月初五凌晨。

參考資料/圖片來(lái)源：today astronomy，百度百科

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