恒星的一生 | 一闪一闪亮晶晶，满天都是“小”恒星

有时，熟悉的儿歌里也藏着重要的学问，比如：

“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星”，我们究竟能看到多少星星？它们又是哪种星星？

答：在夜空中，我们凭肉眼大约可以看到6000颗星星，其中大部分是像太阳一样能自身发光的恒星。（记得行星是不发光的呢，一些行星靠反射恒星的光才能被我们看到。）

璀璨的星河

（图片由天文爱好者黄丹丹拍摄）

今天，我们就来说说满天恒星的故事。

恒星组成的 “星座”，不是用来算命的

除了太阳，你还能说出哪些恒星？

天狼星？参宿四？北落师门？

更专业一点的观星者还会告诉你：天狼星在大犬座，参宿四是白虎七宿之一，北落师门在南鱼座……

恒星，跟星座有啥关系？（跟作为茶余饭后谈资的“星座运势”、“星座配对”相比，“星座”真的是一个正经的概念啊！）

为了给天空中恒星编排“座位”，人们用假想的线条将亮星连接起来，构成各种各样的图形，人为地把星空分成若干区域，这些图形连同它们所在的天区，中国称之为星官，西方叫做星座。

中国古代是将星空划分为三垣（紫微、太微和天市）、四象（东苍龙、西白虎、南朱雀、北玄武）、二十八宿，共包括283个星官。1928年国际天文学联合会（IAU）以西方星座为基础确定了88个星座，其中黄道上有13个。

所谓黄道是指从地球上看太阳每年在天空中绕行一圈所走过的路径，这是地球围绕太阳公转效应^[1] 。除了与人们熟知的“黄道十二宫”同名的星座外，太阳在黄道上经过的星座中还有一个蛇夫座，它位于天蝎座和人马座之间（如图1所示）。

图1：黄道十二宫示意图

（图片来自网站^[2]  ，作者有改动）

最初，人们用星座来确定时间。古巴比伦人把黄道均匀分成12段（分别对应12个星座），太阳在每一段的停留的时间均为一个月。古埃及人以天狼星在东方地平线出现的时刻，预测尼罗河泛滥的时间。在中国古代，《鹖冠子》记载了北斗七星斗柄指向东、南、西、北与春、夏、秋、冬的一一对应关系，有效地指导了当时的农业生产。

小知识：古巴比伦人的黄道分割方式也就是现在流行的星座日期表的由来。不过，现行的星座划分标准下，星座大小相差悬殊，太阳在每个星座中停留时间是不一致的，在最小的天蝎座中只停留7天，在最大的室女座中停留的时间长达44天8小时。因此，大家熟知的“星座”与天文学中星座并不相同。

之后，人们又发现了星座的导航功能。“夜看北斗知北南”是指通过北斗七星可以寻找北极星，从而辨别方向（见图2）。15～17世纪，遍布全球欧洲船队在发展新生资本主义的同时，也发展了航海事业。在茫茫的大海中，没有参照物，但是天上的星座不但形状独特，还很容易观测到，非常适合给当时的船队导航。

图2. 北斗七星与北极星（示意图）。在西方星座中，北极星和北斗七星分别位于小熊座和大熊座中，因为地球的自转轴基本上指向北极星，所以在视觉上天体每天均围绕北极星旋转一圈。斗口的两颗星连线延长五倍所指的星始终为北极星。当北斗七星在地平线以下时，可以用仙后座呈W型的5颗星寻找北极星。

比如，郑和率领舰队七次下西洋，利用“牵星术”完成了极其艰难复杂的航行，创造了世界航海史上的奇迹。“过洋牵星图”中描述的“惟观日月升坠，以辨东西，星斗高低、度量远近”等技术就是利用日月星辰来判断船舶的地理位置与航行方向，其中涉及到的原理有“地球自西向东自转，导致日月东升西落”以及“北极星的高度约等于当地的纬度”等星空的奥秘。

10万年前，北斗七星不长这样

因为视觉投影效果，星座中构成生动图案的恒星看似在一个平面上，其实它们离我们的距离可能差异很大。因此，同一星座的星之间可能没有什么物理相互作用。

依然以北斗七星为例，七颗星中摇光和天枢离地球距离分别为101和124光年（如图3所示），比其他五颗星远20至40光年。它们发出的光需要一百多年才能传输到地球。

图3 北斗七星离地球的距离^[3] （示意图）

离太阳系最近的恒星是距我们大约4.2光年的比邻星，它是半人马座α三星系统的成员之一。该三星系统是刘慈欣描述的三体人所赖以生存的“太阳系”， 也是科幻电影《流浪地球》中地球人最终迁徙的目的地。

恒星在天空中并非恒定不动，它们运转的速度很快，比如太阳以每秒238公里^[4] 的速度围绕银河系中心运动，大概2.5亿年围绕银河系中心运转一周。如果再加上地球自转和公转的速度，那么 “坐地日行八万里”就不难理解了。

既然恒星的运转速度这么快，为什么我们感觉它们恒定不动呢？主要原因是大部分的恒星离我们实在太远了，它们在宇宙中运行几百年，我们也难以察觉它们的位置变化。但是如果经过很长时间的积累，它们的位置变化就会比较明显，比如10万年前和10万年之后，北斗七星的形状都不是“舀酒的斗形”（如图4所示）。

图4 不同时期的北斗七星形状示意图

（图片来自网站^[5]  ，作者有改动）

在恒星的世界里，太阳只能算个小弟弟

在地球上看到的太阳，是天空中最大最亮的天体了，其实它在恒星世界中也就是个小弟弟，还有许多恒星比太阳更大、更亮。

仅在银河系中就有千亿颗恒星，但是它们离我们太远、星光太弱，人们对这些遥不可及恒星的本质知之甚少。自天体物理学诞生，尤其是进入19世纪以来，由于分光学、光度学和照相术等技术广泛应用于天体的观测研究，人们对天体的结构、化学成分、物理状态的认识逐步清晰。

20世纪初，丹麦天文学家赫兹普龙(Hertzsprung)和美国天文学家罗素(Russell)发现恒星在光度（即发光能力）和温度的二维图像中有十分显著的分布规律，该图被称为赫兹普龙-罗素图，简称赫罗图或HR图。

图5 赫罗图，横坐标为表面温度或颜色，纵坐标为光度

(图片来自网站^[6]  ，作者有改动)

赫罗图可以清晰地反映出恒星的“江湖地位”，比如个头和质量大小、发光能力以及资历（即演化历程）等重要特征，是天文学中最重要的图鉴之一。

如图5所示，恒星可以大致分为以下几种类型：

主序星：大部分（90%以上）恒星分布在沿左上方到右下方的一个狭窄的带上（主星序），处于该带上的恒星称为主序星，它们正处于氢-氦核聚变阶段。恒星的温度越高，颜色就越蓝，发光能力越强，反之，颜色越红，发光能力越弱。恒星在该阶段最稳定、停留时间最长（一生90%以上的时间处于该阶段）。

白矮星：在左下方较密集的区域的恒星温度高，呈蓝白色，光度很弱，体积小，所以叫做白矮星，该区域是小质量恒星死亡后的“归宿地”。

巨星&超巨星：在主星序的右侧较密集区域的恒星光度比较大，但温度较低，恒星的中心区氢元素燃烧耗尽，更重元素的核聚变被点燃后，恒星开始变得“虚胖”，进入该区域，所以叫做巨星。它的左上方叫超巨星。

根据恒星的颜色，哈佛天文台将恒星分为O，B，A，F，G，K，M等七种类型，每个类型又可分为10个次型，即哈佛分类法。由于恒星的颜色与恒星表面的有效温度相关，因此，该分类法是根据有效温度递降的次序来划分的，如图5（横坐标）所示。比如，太阳属于G型星，为黄色，织女星和天狼星为A型星，颜色为蓝白色。

根据发光能力，恒星可分为超巨星（I型）、亮巨星（II型）、巨星（III型）、亚巨星（IV型）、矮星（V型）、亚矮星（VI型）和白矮星（VII）等七种类型。这里巨星和矮星指的是光度大小，光度大的为巨星，反之为矮星。

哈佛分类法是基于颜色或温度的一元分类法，在二维的赫罗图中不能很好地确定恒星的位置。为此，20世纪40年代，美国天文学家摩根（W. Morgan）和基南(P.Keenan)提出以温度和光度为基础的二元分类法（即MK分类系统），可在赫罗图中准确地定位恒星的位置，比如，太阳为G2V型。

太阳是一个典型的矮星。宇宙中存在比太阳的个头大几亿倍甚至更大的恒星，比如盾牌座UY恒星，它属于恒星“暮年”时期的红超巨星，最新研究表明^[7]  ，这颗恒星的半径为太阳的755倍（参见图6），相当于4.3亿个太阳，发光能力是太阳的8.7万倍，因为它离我们5100光年的遥远距离，所以即使它体积巨大，在地球上看也只能是一颗小小的亮点。

图6. 恒星大小对比（示意图）。太阳和天狼星均为矮星（天狼星的发光能力大约为太阳的25倍），而北河三、大角星均为橙巨星，盾牌座UY为红超巨星，它们的发光能力分别为太阳的40倍、170倍和8.7万倍左右。（图片来自网站^[8]  ，作者有改动）

天文学家一般用视星等来描述恒星亮度。星等值越小，恒星越亮。恒星视星等主要是三个因素决定的：

（1）恒星自身的发光本领，即主要由恒星的质量决定；

（2）恒星的距离，发光本领相同的恒星，距离越远亮度就越暗；

（3）恒星与我们之间的星际介质。由于折射、散射等物理过程，星际介质（如尘埃）对穿过它的光波中的蓝色成分吸收产生红化、消弱等效应，导致恒星的颜色、亮度发生变化。

综合多种因素，夜空中看上去最亮的恒星为天狼星（金星为最亮的行星），它在冬夜星空大犬座（猎户座附近）中清晰可见。

结语

那句熟悉的歌词是不是应该这样唱？

“一闪一闪亮晶晶，满天都是‘小’恒星……”（开个玩笑~）

于是问题又来了：满天的恒星，到底是怎么来的呢？

且听下回分解。

参考文献：

[1] 李鉴 黄道星座那些事儿  天文爱好者  2021年2月

[2] https://manasati30.com/wp-content/uploads/2020/02/shutterstock_316283759.jpg

[3] https://encyclopedia.thefreedictionary.com/the+Plough

[4] https://earthsky.org/favorite-star-patterns/big-and-little-dippers-highlight-northern-sky[5] Schonrich, R. 2012, MNRAS, 427, 274

[6] https://www.mtholyoke.edu/courses/jlevine/ast100/HW/hw3.html

[7] Messineo, M. & Brown, A. G. A. 2019, AJ, 158, 20.

[8] https://www.neoteo.com/uy-scuti-estrella-hipergigante-roja

作者简介：田海俊 三峡大学教授 湖北省杰出青年基金获得者，近年专注于天体的自行测量、宽距双星及银河系结构与演化等方向的研究，获湖北省自然科学奖二等奖1项。

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