什么是造父变星?如何用它测量天体的距离?

什么是造父变星?如何用它测量天体的距离?

一类高光度周期性脉动变星,也就是其亮度随时间呈周期性变化.因典型星仙王座δ 而得名.仙王座δ星最亮时为3.7星等,最暗时只有4.4星等,这种变化很有规律,周期为5天8小时47分28秒.这称作光变周期.这类星的光变周期有长有短,但大多在1至50天之间,而且以5至6天为最多.由于我国古代将“仙王座δ”称作“造父一”,所以天文学家便把此类星都叫做造父变星.人们熟悉的北极星也是一颗造父变星.科学家们经过研究发现,这些变星的亮度变化与它们变化的周期存在着一种确定的关系,光变周期越长,亮度变化越大.人们把这叫做周光关系,并得到了周光关系曲线.以后在测量不知距离的星团、星系时,只要能观测到其中的造父变星,利用周光关系就可以将星团、星系的距离确定出来.因此,造父变星被人们誉为“量天尺”.
光变机理
　　在赫罗图中,大部分脉动变星位于一个狭长的不稳定带上.造父变星位于这个不稳定带的上部,光谱型为F到K型.造父变星的半径变化幅度不大,约为5%-10%,光度变化主要来自表面温度的变化,且与半径的变化位相相反,即半径最大时光度最小,半径最小时光度最大.
　　当恒星演化到一定阶段,内部会出现不稳定性,引力和辐射压力会失去平衡,外部包层会出现周期性的膨胀和收缩,但这个脉动不涉及恒星的核心.在正常情况下,恒星的不透明度κ与密度成正比,与温度的3.5次方成反比.当恒星的半径减少时,密度增加,温度升高,不透明度降低,导致能量的释放,使膨胀幅度减小.但造父变星在脉动初期,恒星包层中存在氦的部分电离区,半径减小时,温度基本不变,导致不透明度反而增加,能量吸收,半径进一步减小.这就使得脉动的幅度越来越大.
　　恒星在演化过程中,在赫罗图上可能数次穿越不稳定带,在正常恒星和造父变星之间不断转换.
测量
由于造父变星具有确定的周光关系,在测量星团、星系的距离时,只要观测到其中的造父变星,就可以利用周光关系确定它们的距离.因此,造父变星被称为“量天尺”.美国著名天文学家哈柏就是利用仙女座星系中的造父变星,测定了仙女座星系的距离,随后巴德又对其进行了修正,证实了它是一个河外星系.
测量距离
造父变星的光变周期与光度之间的一种关系.概括地说就是造父变星的光变
周期越长,其光度也越大.这种关系是美国哈佛大学天文台勒维特在研究小
麦哲伦云的25个造父变星时发现的,用的是光变周期和视星等的数据.这些
造父变星都位于同一个星系内,可以认为它们同地球有大致相等的距离,所
以周期和视星等的关系就反映了周期和绝对星等的关系.后来的研究表明属
于不同星族的变星,其周光关系也不相同：
星族I：Mp = -1.80 - 1.741 lg P,
星族II：Mp = -0.35 - 1.75 lg P.
上式中Mp为光度极大和极小时的绝对星等的平均值,P为已天为单位的光变周
期.
周光关系的重要性在于,只要发现造父变星,便可以确定该星及该星所在的
恒星集团的距离.这是因为利用周光关系可以从光变周期P推算绝对星等M,
而视星等m则可直接测量,于是距离r便可由公式
lg r = (m - M + 5 - A) / 5
算得,上式中A为星际消光对视星等的影响.周光关系既简单又精确,因此它
是测定银河系内一些恒星集团的距离和邻近的河外星系距离的重要方法.