北极星的秘密_风闻

原创：牧夫天文

尽管很多现代人找不到北极星（勾陈一），但它无疑是北半球最著名的星！之所以很多现代人找不到北极星一方面是因为光污染，城市上空可以辨识的星越来越少，而北极星视星等只有2等，如果按照亮度，排在它前面的有近50颗恒星，如果不是晴朗无云的天空，城市里确实不容易看到北极星；另一方面是因为现代人很少仰望天空！然而，对于北半球的古代人，北极星是辨别方向的法宝，特别对于航海，它意义重大。对于天文爱好者来说，北极星也有非凡的意义，它距离北天极不到1度，漂亮的星轨就围绕它展开！但是北极星（勾陈一）并不永远是最靠近北天极的星，它也仅仅是从1200年开始才称得上北极星，2500年后勾陈四才是名副其实的北极星！这并不是因为北极星在晃动，而是我们的地轴在摆动。同时，北极星本身也不稳定，它是一个三合星系统，并且亮度不断变化。

星轨摄影作品

credit：wikipedia.org

如何寻找北极星

首先你必须在北半球！最简单的方法是使用指南针，确定正北方向，你所处的纬度大约就是北极星的高度角，也就是沿着这个方向可以找到北极星。牧夫天文2017年刊文《为什么北极星那么重要？》曾详解其原理。电影《金蝉脱壳》中史泰龙扮演越狱专家，他就是利用这个原理得知他的监狱所在纬度。还有观星常用的星桥法，北天最显著的星座是大熊座，虽然大熊座非常巨大，全部观测难度较大，但其中的北斗七星则是北天最容易辨识的星图之一，这个勺子的碗部由四颗星构成，沿着末端的两颗星向勺碗前方延伸5倍距离就是北极星，同时北极星是小熊座小勺子柄的末端，见下图。

星桥法寻找北极星

源自wiki

北极星的身世

北极星（小熊座α星，中文勾陈一）是一个三合星系统，其主星北极星A是一个巨大的、明亮的、年迈的、黄色超巨星。北极星A质量是太阳的6倍，如果将它和太阳放在一起，亮度是太阳的2000倍。它的直径是太阳的45倍，如果它处于太阳系的中心，它的边界将超过水星轨道的一半。北极星目前是最靠近北天极的星，距离地轴向北延伸的北天极大约40‘，我们可以伸出胳膊来感受这个距离，一臂远小指宽度大约1度。但正如引言描述的如果将最靠近北天极的星称为北极星，那北极星会持续更替，这是因为在太阳和月球引力作用下地轴会摆动，周期为25800年，这个摆动被称为岁差，见下图。

地轴摆动区域

从公元前10000年，人类早期农业和畜牧期，北天极在武仙座。而现在已运行至小熊座，整个圈需要25800年。对于太阳系也存在北黄极，它靠近NGC6543（猫眼星云）。

Credit：skyandtelescope.com

我们回到法老胡夫的那个年代，他在吉萨地区建造了首个金字塔。那时是公元前2550年，天龙座α（紫微右垣）是北极星；2000年后，勾陈一和紫微右垣距离北天极的距离相当，在那个时期，腓尼基人使用小熊座的若干星一起确定北天极；再后来，北天极越来越靠近现在的勾陈一，可以考证的是：北欧斯堪的纳维亚地区人们使用勾陈一来确定北方；十四世纪的意大利诗人也在他的作品中描述了小勺子的勾陈一，星轨围绕它展开；到2100年，勾陈一距离北天极最近，小于0.5度，大约相当于满月的宽度。

快乐的伙伴

1780年，威廉·赫歇尔通过小型望远镜最早发现了伴星北极星B，北极星A和北极星B运行周期4万年。1929年，约瑟夫·摩尔发现了另外一颗更近的伴星北极星Ab，北极星Ab亮度约是北极星B的一半，北极星A的亮度是它的700倍，因此它淹没在北极星A的光辉中，摩尔之所以发现北极星Ab，是通过光谱分析做到的。伴星围绕主星运行，周期约30年，它的光谱区别于主星。直到2006年，天文学家才通过哈勃望远镜直接观测到北极星Ab，但想要通过周期运动来推测质量，哈勃望远镜已触及性能极限，研究人员通过佐治亚州立大学查拉望远镜阵列进一步优化测算结果。天文学家估计这个三合星系统诞生于7000万年前，这比46亿年的太阳系年轻太多！恒星的宿命就是按照恒星演化规律进行的，越大质量的恒星寿命越短，北极星A已经年迈，而北极星B和北极星Ab的质量只有太阳质量的1.5倍甚至更小，所以它们还会持续燃烧50亿年。但三合星系统的同源性受到质疑，有学者通过研究恒星亮度和温度，结合赫罗图推算演化阶段和时间，抛出全新的推测，这里就不展开描述了。

北极星三合星系统示意图

Credit：skyandtelescope.com

变变变

北极星A诞生于7000万年前，它质量巨大，快速燃尽了内核的氢，离开主星序进入不稳定阶段（如下图赫罗图所示）。它是一颗变星，亮度周期性变化。1794年，约翰·古德利克最早发现了仙王座δ的周期光变，它被称为造父变星，这类星通常是黄巨星或超巨星，通常质量为太阳的3-18倍，直径35-80倍。之所以会周期性光变，是因为恒星进入不稳定期，引力和辐射压力平衡被打破，造父变星有一层氦，当压缩时，温度上升，氦继续电离，阻止了向外辐射，温度和压力进一步上升，内部压力越来越高冲破氦层，辐射出的光和热突然增多，减压后，引力作用逐步占优势，造父变星收缩，不断重复上述过程，产生光变周期效果。

北极星A位于地球445光年外，这个距离之前一直有所争议，但它无疑是最近的造父变星。1912年，亨丽爱塔·勒维特发现造父变星越亮，光变周期越长。这就让造父变星成为宇宙中的标准烛光，在宇宙尺度下帮助测量距离。但北极星A的情况比较复杂，并不适于用作标准烛光。

根据赫罗图北极星A会三次进入不稳定区，在不稳定区就会有造父变星的表现，但光变周期并不是一成不变，亮度变化范围也是变化的。二十世纪90年代的观测数据表明，亮度变化从5%下降至1%，肉眼根本无法辨别。2008年，3个独立科研团队报告亮度变化已恢复至5%。

赫罗图，黑色线为5倍太阳质量的恒星演化情况

Credit：skyandtelescope.com

神秘的X射线

此外，科学家观测到来自北极星A的X射线，这一现象同样发生在仙王座δ，但并不确定发射X射线是否属于造父变星的特性，很多造父变星没能探测到X射线可能因为我们的设备不够灵敏。目前，天文学家还没能搞清楚X射线的成因，让我们带着问题继续探索！

源自《skyandtelescope》2019第3期, 作者：Camille M. Carlisle

翻译：毛明远  |  校对：周寅军

    编排：毛明远

责任编辑：赵琨

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