【量天尺】宇宙“量天尺”——浅谈造父变星和Ia型超新星

在看科普读物或天文图像时，经常有人说，什么星系离我们有多远，几光年远的地方又在发生什么奇异的天文现象，宇宙正在加速膨胀。

但是大家有没有想过，这个距离是怎么知道的呢？难道真有尺子可以测量出来？哎，还别说，宇宙中还真有这样的“量天尺”。且听我慢慢道来。

仙女座星系

宇宙加速膨胀

时间回到20世纪初，美国天文学家勒维特在小麦哲伦星云中发现了二十五颗奇怪的星星：它们的亮度呈周期性的变化，且周期越长，亮度越大。由于小麦哲伦星云相对较小，且位于银河系以外，距离我们十分遥远，因此，可以认为这二十五颗变星与我们的距离是相同的。这是一个十分惊人的发现，因为这意味着这是一类在宇宙中普遍存在的亮度与周期长度存在确定关系的天体。因此，理论上讲，只要找到此类星体，测得该星体亮度变化的周期长度，就可以通过该星体的观测亮度得知其与我们的实际距离。这在天文学上是十分有用的，因此这种天体被划归为一类。由于中国古代天文学中的“造父一”是这样一颗恒星，因此这类恒星被统称为“造父变星”，也被誉为“量天尺”。

造父变星示意图

关于造父变星的形成原因，目前最普遍为人接受的说法是在恒星演化的中后期某个时间段，恒星会由于内部辐射压力和引力不平衡而出现失衡现象。简言之，恒星内部核反应剧烈，会导致内部辐射压力增加，大于恒星引力，导致其体积膨胀。膨胀之后恒星表层的密度就会减小，辐射通过性就会增加。这时内部的辐射能就可以释放出去了。因此，表层所受的辐射压力就会减小，引力就会占据优势，恒星便又开始收缩。收缩后恒星表层密度又会增加，辐射通过性又会减小，辐射压力又占据了优势，恒星又开始膨胀。正是这样周而复始的活动为我们提供了一个测量距离的天然尺子。

不过造父变星也有其局限性。主要就是其亮度太小了，小到只在银河系及其附近适用。如果需要测量更远的距离，就需要另一种天体--Ia型超新星出马了。

Ia型超新星示意图

Ia型超新星

Ia型超新星，是一种奇特的双星系统因为某种原因发生超新星爆发的星体。说它奇特，是因为双星中的一颗为白矮星，另一颗为主序星或者巨星。白矮星从其伴星吸取物质增加自身重量，当总质量达到1.4倍太阳质量的时候，将再次引发核聚变。由于爆发时其质量总是太阳的1.4倍，因此其亮度也是基本一样的。Ia型超新星的亮度大约为3000000000个太阳的亮度。不要怀疑，我没有手抖多按了几个0。

如图，单颗恒星超新星爆发与数千亿颗恒星组成的星系进行对比，超新星爆发时亮度有时会超过整个星系！

正是由于Ia型超新星超高的亮度和超强的准确性，使得我们可以利用它测得更遥远的距离。科学家们正是根据这些宇宙中的“标准烛光”来逐步发现宇宙的奥秘的。

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