|
在北方的星空中，最引人注意的恒星，除了北极星以外，就要算大熊星座中排成斗形的七颗亮星，也就是赫赫有名的“北斗七星”。这七颗星按现代国际统一命名，从头到尾依次叫做大熊座α、β、γ、δ、ε、ζ、和η，在中国则分别称之为天枢（北斗一）、天璇（北斗二）、天玑（北斗三）、天权（北斗四）、玉衡（北斗五）、开阳（北斗六）、和摇光（北斗七）。北斗七星中的前四颗星，即天枢、天璇、天玑和天权构成斗身，故名“斗魁”（“魁”的本义就是盛菜汤的大勺），或称“魁星”，又名“璇玑”；而玉衡、开阳和摇光三星则组成斗柄（即斗杓），有时将这三颗星也统称“玉衡”。
从北斗七星的命名，足以看出人们对它们的重视程度。国际上，别的恒星都按其亮度大小用希腊字母依次命名，并冠以所在星座的名称，唯独大熊座的七个星是按从头到尾的次序命名；在中国，它们不但各有专名，而且还分组命名。人们之所以重视它，是因为随着北斗七星的视运动，斗柄既可以指示方向，也可以表征季节。在一日之内，北斗七星按逆时针方向绕着北天极旋转一周，于是北斗的斗柄也随着时间的推移指向不同的方向；在一年内，不同季节的傍晚，北斗斗柄的指向也在不断发生变化，按逆时针方向旋转一周。这就是《鹖冠子》一书所说的：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”至于北斗为什么会有这样的“功能”，古人是不知所以然的。直到十六世纪哥白尼提出“日心地动说”才得到科学的解释。原来北斗七星的“周日视运动”和“周年视运动”，分别是地球自转和它绕太阳公转的结果，地球在不断运动的同时，地轴总是指向北天极和南天极，这就使人们看来各地恒显圈以内的恒星总是绕着天极旋转。
但是，对于北斗七星的真相，即物理状况和化学组成，却是随着现代天文学和天体物理学的发展才被人们所认识。
（一）北斗七星的距离
北斗七星虽然被人们划入同一星座，但它们的距离各不相同。现将北斗七星的赤道坐标其它有关参数罗列于下：
北斗一：赤经165°30′，赤纬＋61°54′，周年视差0.026″，距离124±2光年，目视星等为＋1.79.
北斗二：赤经165°00′，赤纬＋56°32′，周年视差0.041″，距离79.4±1.1光年，目视星等为＋2.4等。
北斗三：赤经178°00′，赤纬＋53°51′，周年视差0.039″，距离83.7±1.4光年，目视星等为＋2.5.
北斗四：赤经183°30′，赤纬＋57°12′，周年视差0.039－0.041″，距离81.4±1.2光年，目视星等为3.4.
北斗五：赤经193°15′，赤纬＋56°07′，周年视差0.040－0.041″，距离80.9±1.2光年，目视星等为＋2.0.
北斗六：赤经200°45′，赤纬＋55°05′，周年视差0.042″，距离78.2±1.1光年，目视星等为＋2.4.
北斗七：赤经206°30′，赤纬＋49°27′，周年视差0.02″，距离101±2光年，目视星等为＋1.86等。
上面列出了各星的“周年视差”。测知这个数值，代入公式r＝3.26／π″就可以算出其距离r是多少光年，比光年更大的距离单位是“秒差距”，1秒差距等于3.26光年，所以，若以秒差距为单位，则恒星距离恰为周年视差的倒数。从上面的数据可以看出，北斗七星距我们的距离差异很大，近的接近80光年，远的在120光年以外。这证明它们不是一个“群体”。又，已知“北斗”中每个星的赤经和赤纬，就可以直接用球面三角法求得每两个星之间的角距离，也就是两个星星在观测者眼中的张角。知道了这个张角，又知道各星距我们的距离是多少光年，根据平面三角的余弦定理就能求得两星之间的线距离是多少光年。所谓“距我们”的距离，对于恒星而言，既指离太阳的距离，也指离地球的距离，两者是一回事。因为日地距离虽然长达一亿五千万千米，但用“光年”来衡量，却只有0.0000158光年，完全可以略去不计。从遥远的恒星上看太阳和地球，那么二者的角距将会小到一角秒以下。例如，上文给出“北斗一”的周年视差值等于0.026角秒，这就意味着，在“北斗一”这个恒星上看来，太阳和地球之间的角距只不过0.026角秒而已。可见星际空间是多么浩瀚！
前面已给出了北斗七星的周年视差和距离的数据。再用三角方法加以计算，可知北斗七星之间的角距离和线距离大致如下：
北斗一至北斗二：角距5°24′，线距45.6光年。
北斗二至北斗三：角距7°51′，线距12.0光年。
北斗三至北斗四：角距4°32′，线距6.9光年。
北斗四至北斗五：角距5°27′，线距7.7光年。
北斗五至北斗六：角距4°22′，线距6.6光年。
北斗六至北斗七：角距6°38′，线距25光年。
以上所列的每两星之间的线距离，也就是它们之间的真距离，远的达45光年，而近的不到7光年，但它们的“角距”则相差不大。这就再次证明了七颗亮星排列成“斗”形乃是投影关系所致。这些距离数据之所以说是“大致”，是因为包括北斗七星在内的所有恒星都在空间运动着。恒星在宇宙间相对于太阳的运动可以分解为“视向”和“切向”两个分量。前者表明恒星是远离太阳还是走近太阳；后者表现为恒星的“自行”，看它每年在天球上移动了多少角秒。既然所有恒星都有“视向运动”和“自行”，那么今天的星表上所给出的“坐标”、“视差”（距离）、“目视星等”等项目就不会是固定的，每过一定时期就要重测和计算。所以，我们现在看到的“北斗”不会永远是“斗”形，十万年之后的星空中将不再有“北斗”了。
为了便于交代，前文只列出“北斗”中的七颗星。实际上，“北斗一”（天枢）和“北斗五”（玉衡）都是双星，而“北斗六”（开阳）则是包含七颗星的“聚星”系统。“开阳”的两个子星分别称开阳A和开阳B，其中开阳A也是双星，而开阳B则是一个“三合星”。此外，开阳近旁还有一个微弱得多的星，中国古代叫它为“辅”星。其“目视星等”为4等，距离太阳81.15光年。这个“辅”星也是一个双星。合起来说，仅“北斗六”就包括七个星。在双星系统中，大而亮的叫“主星”，小而暗的叫“伴星”。上面所列的双星星名都是指主星。
（二）北斗七星的星等与光度
前文还列出了北斗七星的“目视星等”。“星等”是表征恒星亮度的一个量。古希腊天文学家早就把肉眼可见的恒星按亮度分成六等，最亮的一些星称为1等星，肉眼刚能看出的星为6等星，其它的星的“星等”按视亮度内插。星越亮，星等越小。后人沿用了这套星等系统，到十九世纪，经过仪器的检验加以精密化。规定：星等相差5等，亮度相差100倍。因此可以知道，星等每差1等，亮度相差2.512倍。也就是说，1等星的亮度是2等星的2.512倍，2等星的亮度是3等星的2.512倍……望远镜和照相术发明后，星等扩展到更暗的星。在经过精密化的星等系统中，有的亮星比1等星更亮，于是星等便向零等和负的星等扩充。例如全天最亮的恒星—天狼星的星等是－1.45，太阳的星等是－26.74等。
由于恒星的距离有远有近，所以“目视星等”并不能表示恒星的真亮度，必须设想把恒星统统“移到”相同的距离处，才能对恒星的真亮度比出个高低来。天文学上比较恒星真亮度的标准距离规定为10个“秒差距”，即32.6光年。一颗星“移到”32.6光年处具有的视星等叫做“绝对星等”。由于消除了距离远近的因素，绝对星等仅仅同恒星的“光度”（即恒星每秒钟发出的总辐射能）相联系。绝对星等M与目视星等m具有以下的关系：
M＝m＋5－5lgr, 或M＝m＋5＋5lgπ″.
上式中，恒星的距离r的单位是“秒差距”，若改以“光年”为单位，则公式为：
M＝m＋7.6－5lgr.
根据上面的式子，知道了某一恒星的“目视星等”，又知道它的距离或周年视差，就很容易算出它的绝对星等。例如，太阳距离r＝0.00000485秒差距，由上式算出绝对星等为＋4.83，就是说若把太阳“移到”32.6光年处，它将是一颗肉眼尚能看到的暗星。太阳的光度，以每秒钟发出的总辐射能来表示，等于383亿亿亿焦耳，实质上就是太阳的输出功率（383亿亿亿瓦）。天文上常以太阳的光度作为衡量恒星光度的单位。如果知道一颗恒星的绝对星等，它的光度等于太阳光度的多少倍就可以从星等的定义计算出来。若以L表示恒星的光度，直接计算恒星光度的公式可以写为：
lgL＝－0.4(M－4.83).
现将按照以上各式算出的北斗七星的绝对星等和光度列举如下：
北斗一：绝对星等为－1.12，光度＝235.5×太阳光度。
北斗二：绝对星等为＋0.48，光度＝53.95×太阳光度。
北斗三：绝对星等为＋0.49，光度＝50.58×太阳光度。
北斗四：绝对星等为＋1.44，光度＝22.49×太阳光度。
北斗五：绝对星等为＋0.06，光度＝80.9×太阳光度。
北斗六：绝对星等为＋0.53，光度＝52.29×太阳光度。
北斗七：绝对星等为－0.58，光度＝143.2×太阳光度。
（三）北斗七星的温度与大小
1、温度
星光隐藏着恒星向外倾诉自己“身世”的密码。十九世纪天体分光术（光谱分析）的问世是天文学的一次大飞跃。通过光谱分析，人们不仅知道了恒星的化学组成，而且进一步认识到恒星的物理状况：（1）大多数恒星的化学组成同太阳的差不多。最丰富的元素是氢，其次是氦，二者占99﹪，然后是其他较重的元素。（2）组成恒星的物质形态不是分子，而是处于高温高压下的等离子体，即物质的第四态。在上千万度的高温下，原子失去了全部或大部分的核外电子而呈电离状态。最简单也是最丰富的氢原子，赤裸裸地只剩下它的原子核，即质子。（3）粒子的热运动速度极大，相互碰撞而发生热核反应。即四个氢核聚变为一个氦核（对于老年恒星则是三个氦核聚变为一个碳核），同时释放出巨大的能量，以各种电磁波（包括可见光）的形式辐射到宇宙空间。（4）天文学家根据不同温度和压力下原子的电离状态，将恒星的光谱分成O、B、A、F、G、K、M等几个类型，而光谱序列与温度的高低有着对应关系，并发现，颜色相同的恒星，其光谱大致相同。这就为认识恒星的温度提供了依据。具体说来，光谱为O型的呈蓝色，表面温度为40000至25000度（指绝对温标，下同）；B型星呈蓝白色，表面温度为25000至12000度；A型星呈白色，表面温度为11500至7700度；F型星呈黄白色，表面温度为7600至6100度；G型星呈黄色，表面温度为6000至5000度；K型星呈橙色，表面温度为4900至3700度；M型星呈红色，表面温度为3600至2600度。
更仔细的研究，是将每一光谱型又分为十个次型，用数字0、1、2、3、……表示。如B0是B型的典型，B5介于B型和A型之间。又进一步将每一光谱次型再细分为六个“光度型”，以罗马数字表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，放在光谱型符号之后。各个次型的温度可按上文中提供的数据内插。太阳的光谱是G2Ⅴ型，这与它的表面温度5800度正好对应。同理，根据已知的北斗七星的光谱型，不难推知它们的表面温度。“北斗一”属K0Ⅲ型，“北斗二”、“北斗三”至“北斗六”都属A0型光谱，而“北斗七”则是B3Ⅴ型光谱。因此可知“北斗一”的表面温度为4900度，比太阳还低；“北斗七”的表面温度为22000度，在七星中是最高的，其它的都在12000——11000度之间。
2、北斗七星的大小
“北斗一”的光度是太阳的235倍，而它的表面温度却比太阳还低，这说明它的表面面积大。物理上有一条定律，在光度稳定的前提下，恒星表面面积与它的表面温度的四次方成反比。这就是斯忒番——波尔兹曼定律。根据这一定律，知道了“北斗七星”的光度，又知道它们各自的表面温度，那么每颗星的表面面积和半径就不难求得。
北斗的各个星球的半径R如下所示（北斗六这个聚星系统除外）：
北斗一（主星）：R＝1481万千米。北斗二：R＝118.2万千米。
北斗三：R＝114.4万千米。北斗四：R＝76.3万千米。
北斗五（主星）：R＝144.7万千米。北斗七：R＝57.2万千米。
将上列数据跟太阳相比，又发现了一个问题。我们知道，太阳的半径是69.6万千米；上面列出的“北斗四”的半径为76.3万千米，比太阳大不了多少，但“北斗四”的光度却是太阳光度的22.49倍；“北斗七”的半径只有57.2万千米，比太阳还小，但它的光度却是太阳光度的143倍。也就是说恒星的大小与它的光度之间不存在简单的比例关系。事实确是如此，这是由恒星的质量和演化阶段所决定的。
原来所有的恒星都跟其它天体一样，有一个从生到死的演化过程。恒星的“一生”要经历原恒星、主序星、红巨星、晚期恒星几个阶段。晚期恒星按其质量的大小走向不同的归宿。质量小的最终演化为白矮星，质量大的要经过脉动或爆发阶段演化为“中子星”或“黑洞”。它们的残骸弥漫于宇宙空间，转化为下一代恒星的原料。“地球人”看到的北斗,除“北斗一”之外，其余几个和太阳都是处于不同“年龄段”的“主序星”（它们在“赫罗图”上位于“主星序”，故名“主序星”）。“主序星”是恒星一生中的鼎盛年华，恒星处于这一阶段的时间最长，可达一千万年到几百亿年之久。但同是“主序星”，却也有青年、壮年、中年之分，因质量大小不同而光度不同。根据爱丁顿的研究，质量大的恒星为了使辐射压力与引力相平衡，内部的温度必然很高，热核反应必然很快，因而光度大；质量小者反之。这个规律可以表述为：恒星的光度与它的质量的三点五次方成正比。这叫“质光关系”或“质量光度定理”。也正因为质量大的恒星光度大，故物质消耗快，其处于“主星序”的时间相对较短，也就是说容易“变老”。随着核能的消耗，恒星中心部分的核反应迅速向外转移，推动外层膨胀，使恒星体积很快增大，表面温度降低，变成又大又红的红巨星，于是恒星从中年走向晚期。
目前我们的太阳是光谱型为G2ⅴ的黄星，它进入“主序星”阶段已经50亿年。“北斗”中的六个主序星，其中“北斗二”到“北斗六”这五个星的“年龄段”基本相同，都是早A型的主序星，而“北斗七”则是光谱型为B3v的早型主序星，其“年龄”比上述五星还小。由“质光关系”可估算出这六个星的质量都在太阳的二至四倍之间。由主序星质量序列可知它们都比太阳“年轻”，既然质量大，即使体积不是太大，其光度可达太阳的几十倍乃至上百倍。唯独“北斗一”与众不同。它是光谱型为K0Ⅲ的红巨星，虽然光度强到太阳的235倍，但因半径是太阳的20多倍，表面面积是太阳的400多倍，体积是太阳的8000多倍，呈“虚胖”状态，所以表面温度低于太阳，颜色泛红。从演化进程看，它既然是红巨星，当然比太阳“年长”，更比北斗中的其它六个星“年老”。如果要把北斗七星按“年龄”排行的话，那么号称“天枢”的“北斗第一星”就是名副其实的“老兄”，而“北斗七”（摇光）则是“小弟”。
﹡ ﹡
总之，所谓“北斗七星”，实际上是四个单星、两对双星和一组聚星。在广袤的宇宙间，各类恒星、星云、星团难以数计。其化学构成差异不大，但物理状态千差万别。人类对它们的认识不会完结。不断地揭示宇宙的奥秘，正是天文学具有永恒魅力的原因所在。
2014年1月28日
|
