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星星(Star)田径赛

发布日期: 2020-07-15

田径赛一直是体育竞赛中,最引人注目的项目之一,跑得最快的人常成为运动明星。天上所有的星星竟然也在运动,相信一定让许多人惊讶不已。其中最受瞩目的当然是「看起来」移动的最快的一些恆星,目前已知最快的金牌、银牌、铜牌分别为的当属巴纳德星(Barnard’s star)、凯普顿星(Kapteyn’s star)、古陆门布雷吉1830(Groombridge 1830,为了简洁后文称为「古氏1830」)。

人类进入文明以后,仰望星空也有数千年之久,一直都认为恆星是不动的,就像印在伞面上的图案一样。直到西元1718年,英国天文学家哈雷将自己在南半球的观测数据与西元150年扥勒密星表比对,发现许多恒星彼此间的相对位置有变化,其中天狼、大角与南河三(Sirius、Arcturus与Aldebaran)的变化最明显,超过半度以上,这才发现恆星是会运动的,称为恆星「自行」(proper motion)。

恆星「自行」这个名词打破了两千多年来的想法,并改变了恒星的原始定义。此后,天文学家辛勤的观测恆星的自行,希望获得一些重要的参数,藉此了解太阳与恆星在银河系中的运动。目前,天文学家已经登录了全天数亿颗恆星的座标与星等,也有数百万颗恆星测量了它们的自行。例如第谷第二星表(Tycho II)共包含了两百万颗恆星的自行数据。

恆星自行

在二十世纪初期,天文学家已经了解「所有的星星都在运动,在银河系中的所有星体都绕着银河中心运转」。从地球望出去,观察其他恆星的运动;就像坐在一辆高速汽车里,看周围其他车辆一样。有些车子飞快掠过、扬长而去,有些车子被抛在后面,更多的是与我们车速差不多的车辆。

不过,有两件事要特别说明。
(一)恆星「自行的方向」与「视线方向」垂直;也就是说,如果一颗恆星沿着视线方向朝着地球直奔而来(或远离而去),
则它的自行为零。
(二)「自行」是角度的测量,而不是速度的测量。恆星「自行」是恆星运动在天上的投影角度;因此,如果观测到两颗恆星
的自行一大一小,我们不能确定自行「大」的恆星移动的「快」、自行「小」的恆星移动的「慢」;因为这颗恆星可能
移动的快,但是距离远,所以自行小。

简单的说,「自行」一词是指恆星在天球(与视线方向垂直)移动的角度。如果知道一颗恆星的自行与距离,才能算出它在天球上移动的速度。如果,又知道它的「视线速度」,就能知道这颗恆星在太空中运动的真正速度。

在满天的繁星中,有些称为高自行(high proper motion)恆星。通常,恆星一年移动的角度超过0.4角秒(″),就属于高自行恆星。其中,巴纳德星是目前已知自行最快的恆星,每年在天空中移动10.29″。
在谈到角度时,一般人大都知道一个圆周有360度,1度有60分,一分有60秒。用符号表示则为
1° = 60′
1′ = 60″
为了避免与时间的「分」、「秒」混淆,此处将「′」译为「角分」、「″」译为「角秒」,分别表示角度单位中的分、秒。一角秒的角度有多小呢?可以用一个实例来说明,一元硬币的直径是两公分,将一元硬币放在一公里远处,那幺一元硬币直径两端与眼睛连线的夹角,大约是一角秒。由此可知,恆星每年移动的角度是十分小的。

巴纳德星

美国天文学家巴纳德(Edward Emerson Barnard,1957-1923)拍摄了许多星野影像,在比对1894年与1904年两幅照片时,在蛇夫座发现一颗移动快速的暗星,亮度只有9.56星等。稍后追溯至1888年皮克林(E. Pickering)所拍摄到同一天区的影像,更确定了它的快速移动。

在距离地球最近的群星中,巴纳德星排名第二,距离只有5.97光年,仅次于距离为4.3光年的人马座毗邻星。巴纳德星是一颗红色的矮星(主序星),其光谱与光度类型为M3.8V,表面温度大约是摄氏2700度;总光度只有太阳的两千五百分之一。

依据巴纳德星的距离与自行,可以推算出它正以每秒钟约140公里的速度(时速约五十万公里)在靠近我们。

凯普顿星

在星空中移动第二快的凯普顿星,自行量每年8.7角秒。它位于绘架星座,是一颗非常黯淡的红色次矮星(sdM1.0/VI),亮度为8.85星等,发出的光度不到太阳的万分之一。它距离地球约12.8光年,大小与质量都比太阳小,直径只有太阳的28%左右,质量只有太阳的40%左右。

这颗星是凯普顿(Jacobus Cornelius Kapteyn,1851-1922)在1897年所发现的。他因为没有望远镜可以使用,自愿测量吉尔(David Gill ,1843-1914)所拍摄玻片上的恆星位置与亮度。吉尔在南非好望角的英国皇家天文台进行天体摄影工作。这份观测结果集结成包含南天星空454875颗恆星的星表。

后来发现凯普顿星的亮度会变化,所以也有一个变星的编号(绘架座VZ)。

天文学家分析凯普顿星的光谱,发现它的金属丰度很少,比太阳的金属丰度三分之一还少,显示它与太阳出身不同,是属于银晕中的恆星。光谱显示,它比同温度的主序星比起来,明显偏蓝。

古氏1830

许多人常把北斗七星当作大熊星座。其实,北斗七星只是大熊星座的臀部与尾巴,只佔了整个大熊星座的四分之一。大熊星座的故事脍炙人口,其中有一颗橙黄色的暗星,在星空中快速的移动着,因此早在一百多年以前便吸引了天文学家的注意,这颗快速移动的暗星称为谷氏1830,在今天高自行恆星排行榜上名列第三。

当谷陆门布雷吉(Stephen Groombridge,1755-1834)在1838年出版《拱极星表》(A Catalog of Circumpolar Stars)后,阿格蓝德(Friedrich Wilhelm August Argelander,1799-1875)注意到这颗星有异常大的自行,使它成为天文学家持续追蹤的天体之一。

谷氏1830是一颗橙黄色的暗星,距离29.9光年,天文学家将它归类为一种少见的次矮星(subdwarf),重金属含量稀少,含量约为太阳的百分之几。

美国史珀劳(Sproul)天文台的藩丹凯珀(Peter van de Kamp,1901-1995)在1968年观测到谷氏1830所发出的闪焰。当时认为闪焰来自看不到的黯淡伴星,但是在其他观测中一直无法观测到预期中的伴星,后来认为它应该是一颗亮度会快速变化的变星,因此在1980年以后,给它取了一个变星的名号:大熊座CF星(CF UMa)。在1974年与1984年间,天文学家观测这颗恆星的光谱,无法发现它的径向速度有任何改变,随后的天文几何观测也无法测到这颗星的位置有何扰动,甚至使用红外线散斑(speckle)干涉技术也无法侦测出有任何伴星。因此有天文学家在一1998年的观测后,建议古氏1830是一种会发出「超级闪焰」(superflares)伴随着物质喷出的太阳型恆星。

在恆星的世界中,有许多奇妙性质的星星,自行最快的恆星并不一定是在太空中移动最快的恆星。因为自行只是恆星运动在天球上的投影速度(与视线方向垂直),并没有包含视线方向的速度(称为径向速度)。一颗恆星可能自行很小,但是径向速度很大;也可能自行不大、视线速度也不是最大,但合起来的真实速度却很大。我们所探讨的的是恆星自行方面的竞赛,而不是径向速度或真实速度的竞赛。因此要说恆星的竞赛三杰,还有得争论的。

参考文献与网页:
Edwin B. Frost,1923,Edward Emerson Barnard,Astrophysics Journal,58,pp1-35。
Edward Emerson Barnard,1916,A small star with large proper-motion,Astronomical Journal, 695, pp181-183。
Robert K. Aitken,1923,Edward Emerson Barnard,PASP,35,pp87-94。
Sidney D. Townley,1917,Address of the Retiring President of the Society in Awarding the Bruce Gold Medal to Mr. Edward Emerson Barnard,PASP,29,pp77-87。
http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceM … index.html
http://www.solstation.com/stars/barnards.htm
http://www.rssd.esa.int/Hipparcos/properm.html