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人类如何发现天狼星不止一颗恒星?

前面已经说过,天狼星的两颗恒星,即天狼星A和天狼星B,分别代表着两种最主要的恒星类型:主序星和白矮星。我们也介绍了天文学史上的三件大事:1. 赫茨普龙和罗素发明了赫罗图,从而搞清楚了天上的恒星都有哪些类型;2. 爱丁顿意识到主序星的能量源于发生在其内部的把氢聚变为氦的核反应,从而揭开了恒星结构与演化的秘密;3. 钱德拉塞卡发现了白矮星的钱德拉塞卡极限,进而揭示出白矮星并不是恒星演化的唯一结局。接下来,让我们去看看天狼星本身。​​

先来看看天狼星A。前面已经讲过,天狼星A是夜空中最亮的星。可能有人会问:“这是用什么标准来衡量的呢?”为了回答这个问题,我需要先给你科普一个在天文学上非常重要的概念,那就是星等。顾名思义,星等就是星星的等级,它标定的是星星的明暗程度。 

世界上第一个提出星等这个概念的人,是古希腊大天文学家喜帕恰斯。即使你没听说过这个人,也一定听说过他在数学上的贡献。我们在中学学到的各种三角函数,例如正弦、余弦、正切、余切,就是他最早提出的。正因为如此,喜帕恰斯也被后人称为“三角学之父”。 ​

利用自己打造的这把三角学的大锤,喜帕恰斯砸扁了不少天文学上的硬钉子。比如说,他仔细计算了月球和太阳的运动轨迹,从而成了历史上第一个能够准确预言月食和日食的人。他还计算过地月距离和日地距离;前者算得很准,但后者有巨大的误差。此外,他也相当精确地测出了一月和一年的长度,并且第一个发现了岁差的现象(由于地球自转轴的缓慢进动而导致的北极星方位发生偏移的现象)。 

公元前135年,喜帕恰斯编制了世界上的第一张星表。在这张星表中,他标出了850颗恒星在天球面上的具体方位。为了标记这些恒星的明暗程度,喜帕恰斯提出了星等的概念。 

星等是用阿拉伯数字表示的。一个天体的星等越小,这个天体的亮度越大;事实上,随着星等的减小,天体亮度将等比例地变大。根据天文学的定义,5个星等的亮度差距是100倍(举例来说,1等星的亮度是6等星的100倍)。很容易算出,如果一个天体的星等的数值比另一个天体小1,那么它的亮度就是另一个天体的2.512倍。 

单纯说星等的数值有点过于抽象,我们还是来举几个具体的例子。在天文学上,人们把织女星的星等定为0。作为对照,太阳的星等是-26.74,满月的星等是-12.90,金星最亮时的星等是-4.89,木星最亮时的星等是-2.94,火星最亮时的星等是-2.91,水星最亮时的星等是-2.45,而天狼星A的星等则为-1.47。 顺便多说一句。太阳、月球、金星和木星,在任何时候都比天狼星A亮;而火星和水星,在离地球近的时候比天狼星A亮,在离地球远的时候比天狼星A暗。

需要强调的是,我们前面所讲的星等,其实是各种天体的“视星等”,也就是站在地球上观测到的各种天体的星等。但是,视星等并不能反应出各种天体的真实亮度。道理很简单。视星等会随着与地球距离的增大而增大。所以一些特别亮的天体,由于与地球相距甚远,看起来还是相当昏暗。 

为了评估各种天体的真实亮度,天文学家们又提出了一个新的标准,叫做“绝对星等”。绝对星等的定义是,把一个天体置于离地球32.6光年远的地方后所观测到的星等。事实上,只要知道一个天体的视星等和它与地球间的距离,就可以利用亮度与距离平方成反比的关系,计算出它的绝对星等。一个天体的绝对星等越小,就说明此天体的绝对亮度越大。类似地,两个天体的绝对星等相差5,它们的绝对亮度就相差100倍。 

知道了星等的概念,现在我们可以回答本节一开始提出的问题了。人们之所以说天狼星A是夜空中最亮的星,是因为它的视星等在所有恒星中排名第二,仅次于无可争议的霸主:太阳。但要是比绝对星等,天狼星A就比太阳厉害多了。事实上,天狼星A的绝对亮度是太阳的25倍。

说完了天狼星A,让我们来聊聊天狼星B。事实上,天狼星B也不是无名小卒。它是离地球最近的、全世界最早发现的白矮星。

天狼星B的视星等是8.44。这意味着,它比天狼星A暗了将近一万倍。换句话说,天狼星B完全被笼罩在天狼星A的光辉中。因此,尽管人类早在古埃及时代就已经发现了天狼星A,一直到19世纪中叶,才有人意识到天狼星B的存在。最早意识到它存在的人,是德国天文学家弗里德里希·贝塞尔。​

贝塞尔的人生经历相当传奇。1784年,贝塞尔出生在德国明登市的一个公务员的家庭。像以前讲过的很多大科学家一样,少年时代的贝塞尔也遭遇了一场人生变故。14岁那年,由于家道中落,他被迫从中学退学,跑到不来梅的一家做海运生意的公司当学徒。不过塞翁失马,焉知非福。为了工作需要,贝塞尔开始钻研航海学;随后,为了更好地测量地球的经纬度,他的兴趣又转向了天文学。 

20岁那年,名不见经传的贝塞尔横空出世。他发表了一篇论文,以高超的数学技巧,大大简化了计算哈雷彗星轨道的传统方法。这篇论文让他在天文学界声名鹊起。两年后,贝塞尔离开了不来梅的公司,成了德国天文学家约翰·施特勒尔的助手。又过了三年,年仅25岁的贝塞尔一步登天,成了新成立的柯尼斯堡天文台的首任台长。 

换句话说,贝塞尔只用了11年的时间,就完成了从一个失学少年到一个天文学界大拿的华丽蜕变。 

贝塞尔最大的长处是他的数学特别好。事实上,他也研究了我们在前面讲过的三体问题;在此过程中,他提出了一类后来在物理和工程领域应用广泛的函数,也就是所谓的贝塞尔函数。 

顺便八卦一下。1811年,由于著名的数学王子高斯的推荐,贝塞尔被哥廷根大学授予了荣誉博士学位。但两人的友谊只维持了十多年,就在1825年走到了尽头。那一年,由于某种不为人知的原因,两人大吵了一架,然后从此分道扬镳。 

1844年,贝塞尔发现了天狼星的一个诡异之处:它的实际位置与理论预言经常会出现一定的偏移,而且这个偏移还忽左忽右、飘忽不定。

这种状况与我们在“漫步太阳系”之旅中讲过的人类发现海王星时的状况颇为相似。要想解释这种奇怪的现象,无外乎两种思路:1. 假定牛顿的万有引力定律有问题,并对它进行修改。2. 假定在那个行为诡异的天体旁边,还有一个以前没找到的天体。

与勒维耶一样,贝塞尔也选择了第二种思路。他推测天狼星并不是一颗单独的恒星,而是一个双星系统。这意味着,在明亮的天狼星旁边,还有一颗相当暗的伴星。换言之,天狼星就像是一个翩翩起舞的人,一直在和自己的一个不起眼的舞伴互相旋转。

10多年后,贝塞尔的猜想得到了证实。1862年1月31日,美国的一个叫阿尔文·克拉克的望远镜制造商,跑到美国西北大学迪尔伯恩天文台去调试一个18.5英寸(约0.47米)口径的望远镜。 在调试的过程中,他竟然阴差阳错地发现了天狼星有一颗昏暗的伴星。从那以后,人们就把这两个天体称为天狼星A和天狼星B了。

最后再介绍一个目前尚无定论的研究。从19世纪末,就开始有人怀疑天狼星并不是一个真正的双星系统;换句话说,他们认为在这个双星系统的周围,还存在着一颗质量更小、更昏暗的恒星。100多年过去了,这种怀疑并没有随风而逝。举个例子,1995年,就有人发表了一篇论文,宣称天狼星A和天狼星B的运动轨迹存在着一定的异常;要想解释这种异常,需要假设在天狼星A的周围还环绕着一个质量约为太阳质量的6%的恒星。后来,这篇论文并没有得到学术界的认可;按照目前天文学界的主流观点,没有找到天狼星双星周围存在恒星或行星的证据。所以天狼星是否有第三颗恒星,还需要未来进一步的探索。

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