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第 十 二 章 --- 恆 星 的 一 般 性 質

在 這 一 章 中 ， 我 們 會 探 討 恆 星 的 一 般 物 理 特 性 。 對 很 多 人 來 說 ， 星 星 只 不 過 是 夜 空 中 閃 爍 不 定 的 小 光 點 ( 或 者 你 真 正 想 到 的 是 電 影 明 星 ) 。 對 天 文 學 家 來 說 ， 恆 星 是 一 團 被 自 身 重 力 束 縛 的 氣 體 ， 而 其 質 量 大 至 足 以 在 核 心 產 生 熱 核 反 應 。 當 一 顆 恆 星 核 心 內 的 熱 核 反 應 停 止 ， 它 便 不 再 是 一 顆 真 正 的 恆 星 ， 我 們 會 說 這 恆 星 已 死 。 所 以 ， 太 陽 是 恆 星 而 木 星 則 否 。

恆 星 亮 度 ( 再 探 討 )

恆 星 有 不 同 的 大 小 和 形 狀 ( 注 意 ： 很 多 恆 星 不 是 球 形 的 ) 。 或 許 最 先 讓 我 們 注 意 到 的 是 恆 星 的 光 度 ， 我 們 在 第 五 章 曾 介 紹 過 恆 星 的 亮 度 是 以 對 數 尺 度 來 表 示 的 ， 例 如 假 若 恆 星 甲 的 視 星 等 比 恆 星 乙 大 5 等 ， 那 麼 恆 星 甲 便 比 恆 星 乙 暗 100 倍 。

恆 星 離 我 們 越 遠 ， 看 來 便 會 越 暗 。 事 實 上 ， 一 顆 恆 星 的 光 到 達 觀 測 者 時 的 強 度 ， 和 兩 者 距 離 的 平 方 成 反 比 。

光 度 x (距 離)² = 常 數

若 恆 星 和 觀 測 者 的 距 離 倍 增 ， 那 麼 看 到 的 恆 星 光 度 便 只 及 原 來 的 四 分 之 一 ， 這 就 是 平 方 反 比 定 律 。 利 用 光 度 ( I ) 和 星 等 ( m ) 的 關 係

m = - 5/2 log ¹⁰ ( I / I ₀ ),

我 們 得 出 星 等 約 增 加 1.5 。

因 此 ， 視 星 等 並 不 足 以 顯 示 出 恆 星 的 內 在 特 質 。 要 知 道 一 顆 恆 星 的 真 實 亮 度 ， 我 們 要 同 時 知 道 它 的 距 離 ， 所 以 科 學 家 引 入 絕 對 星 等 這 個 概 念 ， 方 便 比 較 不 同 恆 星 的 真 實 亮 度 。 絕 對 星 等 是 恆 星 距 離 為 約 32 光 年 ( 或 10 秒 差 距 ﹐ 請 參 閱 下 一 節 ) 時 的 星 等 。 例 如 太 陽 的 視 星 等 為 -26.9 等 ， 但 它 的 絕 對 星 等 只 有 4.8 等 。 絕 對 星 等 顯 示 了 一 顆 星 的 真 實 光 度 ， 亦 即 它 一 秒 鐘 內 輻 射 了 多 少 能 量 。 絕 對 星 等 的 概 念 可 推 廣 至 星 團 、 星 系 等 。

恆 星 距 離

距 離 的 量 度 是 天 文 學 上 最 基 本 但 亦 極 困 難 的 工 作 ， 例 如 在 宇 宙 深 處 的 一 個 星 系 ， 我 們 要 量 度 它 的 角 大 小 非 常 容 易 ， 但 要 知 道 這 星 系 的 真 正 大 小 ， 就 要 同 時 知 道 它 和 我 們 的 距 離 。

天 體 離 我 們 非 常 遙 遠 ， 日 常 所 用 的 距 離 單 位 ( 例 如 米 、 公 里 等 ) ， 使 用 起 來 實 在 太 累 贅 麻 煩 。 在 天 文 學 上 ， 太 陽 系 內 天 體 的 距 離 慣 用 天 文 單 位 來 表 示 ， 一 天 文 單 位 即 太 陽 和 地 球 的 平 均 距 離 ( 請 參 閱 第 六 章 ) 。 對 於 遙 遠 的 恆 星 ， 我 們 會 採 用 光 年 為 量 度 單 位 ， 一 光 年 是 光 在 真 空 中 行 走 一 年 的 距 離 ， 緊 記 光 年 是 距 離 單 位 而 不 是 時 間 單 位 。 你 知 道 一 光 年 有 多 少 米 嗎 ？

另 一 個 常 用 的 距 離 單 位 是 秒 差 距 。 地 球 圍 繞 太 陽 公 轉 ， 一 些 離 我 們 較 近 的 恆 星 ， 會 由 於 我 們 觀 看 位 置 的 改 變 ， 相 對 於 遙 遠 恆 星 所 構 成 的 背 景 星 空 來 說 ， 會 出 現 視 位 置 的 改 變 ， 這 種 現 象 稱 為 視 差 。 最 容 易 看 到 恆 星 視 差 的 方 法 ， 是 比 較 兩 幅 相 隔 半 年 的 星 空 照 片 。 由 於 我 們 已 知 道 地 球 與 太 陽 的 平 均 距 離 ( 即 一 天 文 單 位 ) ， 只 要 量 度 較 接 近 恆 星 相 對 於 背 景 星 空 所 偏 移 的 角 度 p ， 便 可 以 利 用 簡 單 三 角 學 公 式 計 算 出 星 體 和 地 球 的 距 離 d 。 當 偏 移 的 角 度 為 一 角 秒 ， 星 體 與 地 球 的 距 離 即 為 天 文 學 上 所 定 義 的 一 秒 差 距 ， 相 等 於 3.26 光 年 。 視 差 法 是 量 度 天 體 距 離 最 簡 單 的 辦 法 ， 但 這 個 方 法 只 適 用 於 小 部 分 的 天 體 上 ， 由 於 絕 大 部 分 天 體 距 離 地 球 實 在 太 遠 ， 視 差 所 造 成 的 角 度 偏 移 根 本 小 得 難 以 量 度 。 對 遙 遠 的 天 體 ， 天 文 學 家 唯 有 另 覓 良 方 。

恆 星 的 視 差 只 是 由 於 地 球 公 轉 所 造 成 的 視 運 動 ， 但 事 實 上 所 有 恆 星 皆 在 宇 宙 中 移 動 ， 它 們 的 運 動 所 造 成 的 位 置 改 變 稱 為 自 行 。 表 示 自 行 的 單 位 為 每 年 所 移 動 的 角 度 ， 一 顆 恆 星 自 行 的 幅 度 取 決 於 三 個 因 素 ：

1   恆 星 的 真 實 移 動 速 度 ﹐
2.  恆 星 與 地 球 的 距 離 ﹐
3.  恆 星 運 動 方 向 與 視 線 之 間 的 夾 角 。

所 以 ， 一 顆 遙 遠 而 移 動 速 度 高 的 恆 星 的 自 行 ， 可 能 會 和 一 顆 近 而 移 動 得 慢 的 恆 星 差 不 多 。

顏 色 與 光 譜

不 同 的 恆 星 有 不 同 的 顏 色 。 要 更 準 確 描 述 一 顆 恆 色 的 顏 色 ， 我 們 要 知 道 該 恆 星 的 光 譜 。 光 譜 是 一 幅 圖 表 ， 顯 示 了 星 光 在 不 同 顏 色 波 長 的 光 波 強 度 。 通 常 來 說 ， 我 們 不 能 用 光 譜 計 算 出 一 顆 恆 星 的 總 能 量 輸 出 。 此 外 ， 光 譜 的 峰 值 位 置 顯 示 了 恆 星 看 起 來 的 顏 色 ， 例 如 峰 值 在 紅 光 位 置 ， 那 麼 那 顆 星 看 來 便 是 紅 色 的 。 假 若 光 譜 曲 線 非 常 平 坦 ， 那 麼 恆 星 看 來 便 是 白 色 的 。

除 了 低 壓 下 的 氣 體 ， 只 要 密 度 較 大 而 不 是 絕 對 零 度 的 物 體 ( 例 如 恆 星 或 一 塊 鐵 ) 皆 會 不 斷 輻 射 出 電 磁 波 ， 而 它 的 光 譜 會 和 一 種 稱 為 黑 體 輻 射 的 光 譜 是 一 樣 的 。 光 譜 曲 線 的 形 狀 只 取 決 於 物 體 的 溫 度 ，溫 度 低 的 物 體 光 譜 峰 值 在 紅 光 ， 溫 度 越 高 ， 峰 值 越 向 短 波 長 一 端 偏 移 ， 由 黃 光 開 始 ， 到 達 藍 光 ， 再 進 入 紫 外 線 區 域 。 較 高 溫 的 物 體 每 單 位 面 積 所 輻 射 的 能 量 亦 較 多 。 所 以 ， 恆 星 的 顏 色 由 表 面 溫 度 所 決 定 ， 而 恆 星 的 光 度 則 由 表 面 溫 度 和 表 面 面 積 所 決 定 。

並 不 是 所 有 光 譜 都 是 黑 體 輻 射 光 譜 ， 如 下 圖 所 示 ， 低 壓 下 的 低 密 度 氣 體 會 改 變 通 過 它 們 的 光 線 ， 這 是 由 於 氣 體 會 吸 收 特 定 波 長 的 光 波 並 隨 機 向 不 同 方 向 把 所 吸 收 的 光 線 輻 射 出 來 ， 結 果 光 線 在 通 過 低 壓 氣 體 後 ， 原 本 的 光 譜 上 會 出 現 很 多 稱 為 吸 收 線 的 黑 線 ， 但 在 其 他 方 向 ， 我 們 則 會 看 到 這 些 氣 體 的 發 射 線 。 不 同 的 氣 體 會 產 生 不 同 的 線 條 ， 就 如 人 類 的 指 紋 ， 只 要 分 析 光 譜 上 的 吸 收 線 ， 便 可 以 知 道 光 波 曾 經 通 過 的 氣 體 成 分 。

赫 ─ 羅 圖

赫 ─ 羅 圖 是 研 究 恆 星 演 化 最 重 要 的 工 具 ， 它 顯 示 了 恆 星 表 面 溫 度 和 恆 星 光 度 的 關 係 。 由 於 光 度 和 絕 對 星 等 有 直 接 的 對 應 關 係 ， 所 以 很 多 時 赫 ─ 羅 圖 會 選 用 絕 對 星 等 。

早 在 科 學 家 了 解 顏 色 和 溫 度 的 關 係 之 前 ， 天 文 學 家 早 已 根 據 光 譜 的 吸 收 線 把 恆 星 分 類 ， 這 種 分 類 方 式 稱 為 譜 型 ﹐ 由 最 熱 的 O 型 恆 星 開 始 ， 接 著 是 B 型 、 A 型 、 F 型 、 G 型 、 K 型 ， 最 後 是 最 冷 的 M 型 。 要 記 著 這 雜 亂 無 章 的 譜 型 次 序 ， 有 一 個 簡 單 的 英 文 口 訣 ： Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me 。 以 赫 ─ 羅 圖 的 一 貫 畫 法 ， O 型 恆 星 通 常 會 在 圖 的 左 方。

大 部 分 的 恆 星 皆 位 於 一 條 由 左 上 角 橫 跨 至 右 下 角 的 帶 內 ， 這 個 區 域 稱 為 主 序 ， 位 於 此 區 域 的 星 則 稱 為 主 序 星 。 位 於 右 上 角 的 星 ， 雖 然 表 面 溫 度 很 低 ( 即 單 位 面 積 的 能 量 輸 出 也 低 ) ， 但 卻 有 極 大 的 光 度 ， 所 以 這 些 星 體 積 一 定 非 常 龐 大 ， 我 們 稱 之 為 巨 星 。 相 反 地 ， 位 於 左 下 角 的 星 則 溫 度 高 而 光 度 小 ， 所 以 體 積 一 定 非 常 細 小 ， 我 們 稱 之 為 矮 星 。

赫 ─ 羅 圖