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人類如何發現天狼星不止一顆恒星?

前面已經說過,天狼星的兩顆恒星,即天狼星A和天狼星B,分別代表著兩種最主要的恒星類型:主序星和白矮星。我們也介紹了天文學史上的三件大事:1. 赫茨普龍和羅素發明了赫羅圖,從而搞清楚了天上的恒星都有哪些類型;2. 愛丁頓意識到主序星的能量源于發生在其內部的把氫聚變為氦的核反應,從而揭開了恒星結構與演化的秘密;3. 錢德拉塞卡發現了白矮星的錢德拉塞卡極限,進而揭示出白矮星并不是恒星演化的唯一結局。接下來,讓我們去看看天狼星本身。??

先來看看天狼星A。前面已經講過,天狼星A是夜空中最亮的星。可能有人會問:“這是用什么標準來衡量的呢?”為了回答這個問題,我需要先給你科普一個在天文學上非常重要的概念,那就是星等。顧名思義,星等就是星星的等級,它標定的是星星的明暗程度。 

世界上第一個提出星等這個概念的人,是古希臘大天文學家喜帕恰斯。即使你沒聽說過這個人,也一定聽說過他在數學上的貢獻。我們在中學學到的各種三角函數,例如正弦、余弦、正切、余切,就是他最早提出的。正因為如此,喜帕恰斯也被后人稱為“三角學之父”。 ?

利用自己打造的這把三角學的大錘,喜帕恰斯砸扁了不少天文學上的硬釘子。比如說,他仔細計算了月球和太陽的運動軌跡,從而成了歷史上第一個能夠準確預言月食和日食的人。他還計算過地月距離和日地距離;前者算得很準,但后者有巨大的誤差。此外,他也相當精確地測出了一月和一年的長度,并且第一個發現了歲差的現象(由于地球自轉軸的緩慢進動而導致的北極星方位發生偏移的現象)。 

公元前135年,喜帕恰斯編制了世界上的第一張星表。在這張星表中,他標出了850顆恒星在天球面上的具體方位。為了標記這些恒星的明暗程度,喜帕恰斯提出了星等的概念。 

星等是用阿拉伯數字表示的。一個天體的星等越小,這個天體的亮度越大;事實上,隨著星等的減小,天體亮度將等比例地變大。根據天文學的定義,5個星等的亮度差距是100倍(舉例來說,1等星的亮度是6等星的100倍)。很容易算出,如果一個天體的星等的數值比另一個天體小1,那么它的亮度就是另一個天體的2.512倍。 

單純說星等的數值有點過于抽象,我們還是來舉幾個具體的例子。在天文學上,人們把織女星的星等定為0。作為對照,太陽的星等是-26.74,滿月的星等是-12.90,金星最亮時的星等是-4.89,木星最亮時的星等是-2.94,火星最亮時的星等是-2.91,水星最亮時的星等是-2.45,而天狼星A的星等則為-1.47。 順便多說一句。太陽、月球、金星和木星,在任何時候都比天狼星A亮;而火星和水星,在離地球近的時候比天狼星A亮,在離地球遠的時候比天狼星A暗。

需要強調的是,我們前面所講的星等,其實是各種天體的“視星等”,也就是站在地球上觀測到的各種天體的星等。但是,視星等并不能反應出各種天體的真實亮度。道理很簡單。視星等會隨著與地球距離的增大而增大。所以一些特別亮的天體,由于與地球相距甚遠,看起來還是相當昏暗。 

為了評估各種天體的真實亮度,天文學家們又提出了一個新的標準,叫做“絕對星等”。絕對星等的定義是,把一個天體置于離地球32.6光年遠的地方后所觀測到的星等。事實上,只要知道一個天體的視星等和它與地球間的距離,就可以利用亮度與距離平方成反比的關系,計算出它的絕對星等。一個天體的絕對星等越小,就說明此天體的絕對亮度越大。類似地,兩個天體的絕對星等相差5,它們的絕對亮度就相差100倍。 

知道了星等的概念,現在我們可以回答本節一開始提出的問題了。人們之所以說天狼星A是夜空中最亮的星,是因為它的視星等在所有恒星中排名第二,僅次于無可爭議的霸主:太陽。但要是比絕對星等,天狼星A就比太陽厲害多了。事實上,天狼星A的絕對亮度是太陽的25倍。

說完了天狼星A,讓我們來聊聊天狼星B。事實上,天狼星B也不是無名小卒。它是離地球最近的、全世界最早發現的白矮星。

天狼星B的視星等是8.44。這意味著,它比天狼星A暗了將近一萬倍。換句話說,天狼星B完全被籠罩在天狼星A的光輝中。因此,盡管人類早在古埃及時代就已經發現了天狼星A,一直到19世紀中葉,才有人意識到天狼星B的存在。最早意識到它存在的人,是德國天文學家弗里德里希·貝塞爾。?

貝塞爾的人生經歷相當傳奇。1784年,貝塞爾出生在德國明登市的一個公務員的家庭。像以前講過的很多大科學家一樣,少年時代的貝塞爾也遭遇了一場人生變故。14歲那年,由于家道中落,他被迫從中學退學,跑到不來梅的一家做海運生意的公司當學徒。不過塞翁失馬,焉知非福。為了工作需要,貝塞爾開始鉆研航海學;隨后,為了更好地測量地球的經緯度,他的興趣又轉向了天文學。 

20歲那年,名不見經傳的貝塞爾橫空出世。他發表了一篇論文,以高超的數學技巧,大大簡化了計算哈雷彗星軌道的傳統方法。這篇論文讓他在天文學界聲名鵲起。兩年后,貝塞爾離開了不來梅的公司,成了德國天文學家約翰·施特勒爾的助手。又過了三年,年僅25歲的貝塞爾一步登天,成了新成立的柯尼斯堡天文臺的首任臺長。 

換句話說,貝塞爾只用了11年的時間,就完成了從一個失學少年到一個天文學界大拿的華麗蛻變。 

貝塞爾最大的長處是他的數學特別好。事實上,他也研究了我們在前面講過的三體問題;在此過程中,他提出了一類后來在物理和工程領域應用廣泛的函數,也就是所謂的貝塞爾函數。 

順便八卦一下。1811年,由于著名的數學王子高斯的推薦,貝塞爾被哥廷根大學授予了榮譽博士學位。但兩人的友誼只維持了十多年,就在1825年走到了盡頭。那一年,由于某種不為人知的原因,兩人大吵了一架,然后從此分道揚鑣。 

1844年,貝塞爾發現了天狼星的一個詭異之處:它的實際位置與理論預言經常會出現一定的偏移,而且這個偏移還忽左忽右、飄忽不定。

這種狀況與我們在“漫步太陽系”之旅中講過的人類發現海王星時的狀況頗為相似。要想解釋這種奇怪的現象,無外乎兩種思路:1. 假定牛頓的萬有引力定律有問題,并對它進行修改。2. 假定在那個行為詭異的天體旁邊,還有一個以前沒找到的天體。

與勒維耶一樣,貝塞爾也選擇了第二種思路。他推測天狼星并不是一顆單獨的恒星,而是一個雙星系統。這意味著,在明亮的天狼星旁邊,還有一顆相當暗的伴星。換言之,天狼星就像是一個翩翩起舞的人,一直在和自己的一個不起眼的舞伴互相旋轉。

10多年后,貝塞爾的猜想得到了證實。1862年1月31日,美國的一個叫阿爾文·克拉克的望遠鏡制造商,跑到美國西北大學迪爾伯恩天文臺去調試一個18.5英寸(約0.47米)口徑的望遠鏡。 在調試的過程中,他竟然陰差陽錯地發現了天狼星有一顆昏暗的伴星。從那以后,人們就把這兩個天體稱為天狼星A和天狼星B了。

最后再介紹一個目前尚無定論的研究。從19世紀末,就開始有人懷疑天狼星并不是一個真正的雙星系統;換句話說,他們認為在這個雙星系統的周圍,還存在著一顆質量更小、更昏暗的恒星。100多年過去了,這種懷疑并沒有隨風而逝。舉個例子,1995年,就有人發表了一篇論文,宣稱天狼星A和天狼星B的運動軌跡存在著一定的異常;要想解釋這種異常,需要假設在天狼星A的周圍還環繞著一個質量約為太陽質量的6%的恒星。后來,這篇論文并沒有得到學術界的認可;按照目前天文學界的主流觀點,沒有找到天狼星雙星周圍存在恒星或行星的證據。所以天狼星是否有第三顆恒星,還需要未來進一步的探索。

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