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为什么造父变星被称为“量天尺”?

造父变星是一类光度有稳定变化周期的脉动变星。最早发现此类变星的是英国荷兰裔业余天文学家古德里克。1784年,这位年仅20岁的聋哑青年发现,仙王座δ是一颗变星,它有5.37天的稳定的光变周期,最亮和最暗时亮度相差1.9倍。后来,类似的变星都被称为“仙王δ型变星”。因为仙王座δ的中国古代星名是造父一,所以汉语中把这类变星称为“造父变星”。

1912年,也是一位聋哑人的美国女天文学家勒维特,在分析小麦哲伦星云中的25颗造父变星的时候,发现一个有趣的规律:在一个光变周期中的平均亮度(视星等)越亮的造父变星,它的脉动周期就越长。反之,越暗的造父变星光变周期就越短。小麦哲伦星云本身的大小同它与我们的距离相比,是一个相当小的量,所以这25颗星可以近似看作在相同的距离上。因此,它们的视星等相差多少,也就反映了它们本身的光度(绝对星等)差异。所以,勒维特的这个发现被称为造父变星的周光关系。这一关系反映了这类变星的内禀特性,就像强壮的人有强劲而缓慢的脉搏一样。

造父变星的周光关系看似简单,实则意义非凡。天文学研究中一直面临着一个难题,就是如何测量天体的距离。如果我们测出一颗恒星的视星等,又知道了它的绝对星等,那么就可以根据亮度与距离的平方成反比的关系,计算出这颗恒星的距离。天文学中把用这种方法测得的距离称为光度距离。视星等是我们可以直接测得的,可是,如何才能得知一颗恒星的绝对星等呢?长期以来,这是一个令人头痛的问题!

由于造父变星,这个问题解决了。它的周光关系将光度和时间这两个完全不同的量联系了起来。想知道某颗造父变星的绝对星等吗?测测它的光变周期就可以了。然后我们就能知道它距离有多远。不仅如此,更为重要的是,造父变星的周光关系还常常被用来测量其他遥远天体的距离。比如在一个河外星系里发现造父变星,那么这颗造父变星的距离,其实也代表了这个星系的距离

造父变星,使我们对天体距离的测量范围延伸到了几千万光年。这个跨度和宇宙的大小比起来,虽然仍然很小,却是极为关键的一环。要知道,河外星系的证实和哈勃定律的发现可都是造父变星的功劳!所以,“量天尺”的美誉,造父变星当之无愧!