大陵五的故事

tomevtc79giy5g 2016-12-06

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魔星大陵五

秋夜星空是寂寥而不失璀璨的，繁华稍退，归于恬静。晚饭过后仰望星夜，夏季大三角已然落幕西山，北天王族星座低调登场。先由容易辨识的北斗七星找到北极星，沿着斗口继续往前走就可以看到“铅笔头”仙王座，附近往东就是“M”形状的仙后座。接着向东南可以看到三颗“一”字形的亮星列队指向东北，即为仙女座，有歌诀云：“仙女一字指东北”。仙女座头顶就是秋季星空的一大标识——秋季四边形。而在仙女座脚下，仙后座以东容易找到由几颗亮星组成的弯弓或侧卧的“人”字形星座，这就是英仙座。如果把它看成一张弓，在弧线内侧的箭头端有一颗亮星，它就是我们要讲的大陵五。

Stellarium 软件模拟的秋季星空

大陵五是英仙座内一颗明亮的恒星，在中国古代星图中它是代表王陵的第五颗星。大陵五的英文名为“Algol”，意思是“恶魔之星”，源自阿拉伯文????? al-ghūl，指的是阿拉伯神话中的食尸鬼，传说中的怪物。在阿拉伯，食尸鬼是一种住在沙漠中的能变化成动物的变身恶魔，尤其是变成食腐的鬣狗。他们会劫掠墓地并以死者的血肉或幼儿为食，亦会将旅人诱至沙漠荒地将其杀害并吞噬。在占星学，大陵五亦被认为是天空中最不幸的恒星。

头戴隐身帽，脚踏飞天鞋，手持青铜盾和宝剑，全身宝具武装的珀尔修斯成功地取下了美杜莎的头

在希腊神话中，大陵五则成了魔女美杜莎邪恶的眼睛。传说中智慧女神雅典娜要宙斯之子珀尔修斯去取美杜莎的头，答应事后将他提升到天界。美杜莎是个蛇发魔眼的女怪，她的两眼闪着骇人的光，任何人哪怕只看她一眼，也会立刻变成毫无生气的石头。珀尔修斯在神的帮助下，脚穿有翅飞鞋，头戴隐身帽，借着青铜盾的反光避开了美杜莎的目光，用宝剑砍下了女怪的头。然后骑着从魔女身子里跳出来的一匹飞马，离开了险境。又在回来的路上救下了公主安德罗墨达，并与公主成婚。最后他将美杜莎的头献给了智慧女神。女神实践了她的诺言，将珀尔修斯升到天上，成为英仙座（Perseus）。同时也将公主升到天上成为仙女座（Andromeda）。从此他们在天上幸福地倚靠在一起。如果把整个英仙座的亮星想象成英武的珀耳修斯的话，大陵五正可以看做是他手里提着的美杜莎头上的魔眼，因此大陵五又被西方人称为“魔星”。

不可思议的亮度周期变化

其实称大陵五为魔星还有一个更重要的原因，那就是它的亮度会忽明忽暗，就像是一颗神秘莫测的魔眼。事实上大陵五——按拜耳亮星命名法为英仙座β，是一个双星系统。它不仅是被发现的第一对食双星，更是第一颗被发现的非超新星变星。1667年，意大利天文学家吉米安尼·蒙塔纳里发现英仙座的第二颗最亮星突然有一段时间变得比平时暗很多，并察觉到它可能是一颗变星。一百多年后的1782年，18岁的英国聋哑天文爱好者约翰·古德利克通过大量的观测，发现了大陵五的光变并正确推算出其光变周期。

聋哑天文学家古德利克在18岁的时候通过辛苦的观测和研究成功地解开了大陵五光变之谜

约翰·古德利克（John Goodricke，1764-1786）是一名英籍荷兰裔天文学家，在变星领域做出了突出的贡献。古德利克1764年出生于荷兰，是英国外交官的儿子，幼年时因发烧导致聋哑。他在少年时就对星空产生了深厚的兴趣，富有的双亲理解并鼓励儿子发展在天文方面的爱好。年幼的古德利克听不到外面的世界也无法说话，但有一双善于观察的眼睛和出色超群的智力。每晚他都会拿起望远镜，在繁星闪烁的夜空下享受属于自己的宁静。

大陵五的光变曲线图。伴星挡住主星的时候出现主极小(A和E)，主星挡住伴星的时候出现次极小(C)，两颗子星互不掩食的时候亮度最大(B和D)

在仰望星空的时候，有一颗星星引起了古德利克的注意——英仙座的大陵五。在夜空中闪闪发光的大陵五，其亮度在不断变化。正如自己一样，大陵五也与众不同，孤独地在群星之中闪烁。也许正是这一特点吸引了古德利克的注意，并下定决心要解开大陵五之谜，这需要惊人的耐心和细致的观察。1782年冬季，经过好几个月的辛苦观测、记录和研究，古德利克发现大陵五的亮度变化有一个规则的周期，并测算出这个光变周期为2天20小时49分8秒。他又马上提出了大陵五的光变机理，认为这或者是它的表面有黑斑，或者是有一颗我们看不见的伴星围绕它旋转，周期性地阻挡了恒星发出的光线。1783年5月古德利克向英国皇家学会报告了他的理论，尽管他关于大陵五的神秘伴星的理论未在当时得到验证，古德利克的论文还是为他赢得了令人向往的皇家学会科普利奖章。接下来的两年里，古德利克又先后发现两颗变星：天琴座β（渐台二）和仙王座δ（造父一），并于1786年当选为英国皇家学会会员。可叹的是两个星期后，古德利克因过度劳累去世，刚好是他22岁生日之前，真是英年早逝。这位年轻人一直病魔缠身，他的死或许跟他在寒冷的夜晚待得过久有关系。古德利克在无声的世界里度过了短暂而灿烂的一生，似流星划过天际，他一生所钟爱的天文为他带来了慰藉和荣誉。为纪念这位聋哑天文学家，后来约克大学的古德利克学院以他的名字命名。他的家乡特地建立了古德利克学会，其主要宗旨是帮助像古德利克那样不幸的天生聋哑人。

后来哈佛的天文学家爱德华·皮克林于1881年提出大陵五是食双星的明确证据。1889年，德国天文学家赫尔曼·卡尔·沃格尔发现大陵五的光谱有周期性的多普勒位移，推论是由双星的径向速度变化造成的，从而证实了古德利克关于双星的猜想，并使得大陵五成为最先被确认的分光双星。

什么是双星？

事实上，双星是很常见的恒星系统。两颗恒星在相互引力的作用下绕着共同的引力中心而运动，这就形成了一对双星。这两颗恒星称为双星的子星。一般来说，较亮的子星称为主星，较暗的子星为伴星。两颗子星的距离可以很密近，也可能相隔甚远。

一对食双星，指示器的强度显示光度的变化

在双星系统中再添加一颗子星就变成了三合星。三颗到十颗恒星在相互引力作用下聚集在一起的系统被称为聚星或合星。在银河系中，半数以上的恒星都是双星。有的之所以刚开始被误认为单个恒星，是因为双星的两颗子星相距得太近了，以至于我们很难分辨它们。亦或是伴星较为黯淡和隐秘而不易被常规手段观测到，如著名的第一亮星天狼星后来被证实有一颗白矮星伴星。现在随着观测方法的多样性和设备仪器的快速发展，很多之前被认为是单星的后来被确证为双星。

分光双星HD171378

双星的分类方式有多种，按观测方式可以分为目视双星、食双星和分光双星三大类。而三种类型互有交集，并非单值的分类法。有些目视双星和许多食双星又是分光双星，甚至有的双星集三种类型于一身。简单的用望远镜就可以把两颗子星分辨开来的双星称为目视双星。而要用分光方法得到光谱才能分辩出来的双星，称为分光双星。双星互绕时发生类似日食的现象，从而使双星的亮度周期性地变化，这样的双星为食双星或食变星。食双星一般都是分光双星。

在食双星中，双星轨道面与视线方向几乎平行，互绕的两颗子星会互相交食而使双星的亮度（两子星亮度的叠加）呈周期性的变化。一般来说，在食双星的每个轨道周期中，光变曲线出现两个极小：较深的主极小和较浅的次极小。光变曲线的形状取决于两子星的大小和轨道面对视线的倾角。

画家笔下的三合星系统

大陵五属于食双星。大陵五主星是颗B8V型主序星，绝对星等-0.4等，质量为太阳的3.8倍，半径为太阳的2.9倍；伴星为K2型星，绝对星等3.1等，质量为太阳的0.8倍，半径达到太阳的3.5倍。当伴星运行到主星和观测者之间，遮住主星，使大陵五亮度下降到3.39等，持续约9.7小时，掩食结束，亮度恢复到2.12等。当主星掩食伴星时，亮度也会下降0.06等。1906年发现大陵五的第三颗星，实际上大陵五是个三合星。

大陵五佯谬

恒星的质量大小各不相同，小到太阳质量的十分之一，大到太阳质量的百倍以上。质量为太阳百倍以上的恒星将很快用完自己的核燃料；而如果星体的质量小于太阳质量的十分之一，那么它们注定“不够格”成为恒星——它们的温度还没有上升至足以引发核聚变。我们称它们为“棕矮星”，棕矮星只能靠引力收缩来产生热量。

稳定发光的恒星都由中心的氢聚变成氦的热核反应来提供能量，它们将平静地在主序带上度过一生中的大部分时间。恒星寿命的长短取决于其自身的质量。虽然质量大的恒星内部有更多的燃料，但是其内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大。这导致大质量恒星演化得更快，其寿命就短于小质量恒星。就好比两个人，一个人较为富有，他毫不节制地挥霍自己的财产，所以很快财富耗尽。另一个人财富较少，但生活过得非常节制，反倒是他的财富用了很长时间。

然而，当人们观测大陵五时却发现，大质量的大陵五A还在主序带上，正值壮年；小质量的大陵五B已经是稍后阶段的亚巨星，垂垂老矣。大陵五中小质量的恒星却演化得快，这个观测结果与恒星演化理论相悖，这个矛盾就是有名的“大陵五佯谬”。

双星系统的洛希瓣模型。其中一颗子星的体积超过了自身的洛希瓣就会发生洛希瓣溢流

在双星系统中，每个恒星在它的周围会有自己的“固有领地”，称为洛希瓣。如果恒星膨胀至洛希瓣的范围之外，这些物质将会摆脱掉恒星引力的束缚。而在双星系统中，如果一颗子星演化到主序带之后的阶段，它的体积就会增大并溢满了自身的洛希瓣，这样一部分物质就会脱离它的束缚而进入到伴星的引力范围内。这样的结果是质量从一颗恒星经过所谓第一拉格朗日点转移到另一颗恒星。在双星演化的过程中，这种质量传输被称为洛希瓣溢流。洛希瓣溢流是产生大陵五佯谬的根源。