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为什么科学家总在说“赫罗图”?

天文学里有一幅百年不衰的老图,名叫赫罗图。你在天文学家口中总能听到它。当然,这不是打招呼的“Hello”,而是两个天文学家的名字:丹麦天文学家赫兹伯隆和美国天文学家罗素

一幅什么样的图,值得天文学家如此关注呢?原来这是一幅恒星的光谱型光度之间的关系图:它以恒星的光谱型或表面温度为横坐标,以恒星的光度或绝对星等为纵坐标,每颗恒星对应图上一个点。

1905年赫兹伯隆发现,颜色相同(也就是表面温度相近或光谱型相似)的恒星,光度可相差几十倍、几百倍,甚至几万倍。他把光度小的称为“矮星”,光度大的称为“巨星”。他还提醒其他天文学家,要他们注意巨星和矮星的差别。

但是,一颗星看起来很暗,并不一定是“矮星”,有可能是因为离我们很远;一颗星很亮,也不一定是“巨星”,有可能是因为离我们很近。所以要分清恒星的巨和矮,还必须知道恒星的距离。可惜,当时知道距离的恒星很少。不过,赫兹伯隆却有妙计,他专挑疏散星团来研究,因为一个星团内所有成员星离我们的距离大致相同,它们之间的亮暗对比也就是真实的光度差别,与距离无关了。1911年,赫兹伯隆把毕星团和昴星团的成员星按颜色和亮度画在了一张图上:横坐标是颜色,纵坐标是星等,这就是现代天文史上第一幅恒星的颜色—星等图。

远在美国的罗素并不知道赫兹伯隆取得的进展,他从1907年起也在研究这个问题,只不过他用到的恒星都是太阳附近的,距离都已经测定,所以这些恒星的光度是知道的。他以恒星的光谱型为横坐标,以恒星的光度为纵坐标,画出了现代天文史上第一幅光谱型光度图。1913年,罗素发现图上的恒星并不是杂乱无章的,而是排列有序,大部分恒星密集在从左上角(光度大、温度高的区域)到右下角(光度小、温度低的区域)的一条斜带上。这条斜带后来被称为主序或主星序,主星序上的恒星被称为主序星。除了主序星,还有些星分布在从左到右的水平带上以及主星序左下方的区域,那些星后来分别被称为亚巨星巨星、超巨星和白矮星。

因为颜色—星等图与光谱型光度图是等价的,所以赫兹伯隆罗素做的是同样的工作。后人就把这两种图统称为赫罗图,而那已是1933年的事情了。

百年以来,赫罗图始终“兴旺不衰”,为什么呢?原来,赫罗图是研究恒星内部结构和演化的重要工具。不同质量、不同化学组成、处于不同演化阶段的恒星位于赫罗图的不同位置。所以在赫罗图上,恒星从形成、成长到壮年、老年和衰亡的全部过程一目了然。其中的道理十分简单:恒星的质量和化学组成,决定了它的内部结构,也决定了内部发生的物理过程,这些结构和过程又决定了恒星外在的光度和表面温度。随着时间的流逝,恒星内部的组成、结构发生了演变,从而引起恒星光度和表面温度的变化。这在赫罗图上反映为恒星位置的变化,从一个区域移到另一个区域。

赫罗图的这种功能,使我们能够立即判断出一颗恒星是巨星还是矮星,化学组成是正常的还是反常的,它处在哪个演化阶段,如此等等。赫罗图这么有用,难怪它能永葆青春!

【科学家】赫兹伯隆

埃纳尔·赫兹伯隆(1873—1967),丹麦天文学家。最初从事化学工作,1901年起从事天文学研究。1937年担任荷兰莱顿大学天文台台长,直至退休。第一幅恒星的颜色—星等图就是他于1911年所绘。赫兹伯隆也是第一个确定造父变星周光关系零点的人。

【科学家】罗素

亨利·诺里斯·罗素(1877—1957),美国天文学家。1899年获博士学位,一生几乎全在普林斯顿大学天文台工作,1912年起的35年里都是该台的台长。1913年第一个绘出恒星的光谱型光度图,早期的恒星演化理论也出自他之手,著名天文学家沙普利是他的学生。罗素还对原子物理学有重要贡献,RS耦合就是以他和物理学家桑德斯的姓名命名的。