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造父变星

一種變星

造父变星（Cepheid，发音： /ˈsɛfiːɪd/或/ˈsiːfiːɪd/）的成员是一种非常明亮的变星，其变光的光度和脉动周期有著非常强的直接关联性[1][2]。造父变星是建立银河和河外星系距离标尺的可靠且重要的标准烛光[3][4][5][6]。

船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一，由哈伯太空望远镜拍摄

造父变星分成几个子类，表现出截然不同的质量、年龄、和演化历史：经典造父变星、第二型造父变星、异常造父变星、和矮造父变星。

造父变星的名称源自在仙王座的仙王座δ星，在1784年被约翰·古德利克发现是一颗变星。由于是这种类型变星中被确认的第一颗，而它的中文名称是造父一，因此得名。造父一也是验证周光关系时特别重要的一颗造父变星，因为他的距离是造父变星中最精确的，这要归功于它的成员都在星团之中[7][8]，并且可以从哈伯太空望远镜/依巴谷卫星得到可靠的视差[9]。

分类

经典造父变星

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经典造父变星（也称为第一型造父变星，或仙王座δ型变星）以几天至数个月的周期非常有规律的脉动。经典造父变星是第一星族的变星，质量比太阳大4-20倍[10]，发光度可以高达太阳的100,000倍[11]。造父一是颗光谱类型为F6-K2的黄巨星，它在胀缩之间的半径变化达到数百万公里（大约是长周期变星船底座I的25%）[12][13]。

经典造父变星在可见光波段光变幅度为0.1到2个星等，最亮时光谱型一般为F型，最暗时为G型或K型，光变周期从1.5天到50天不等。但也有例外的，比如武仙座BP星的光变周期为83.1天，小麦哲伦星系中也发现过光变周期长达二百天的经典造父变星。

经典造父变星被用来测量本星系群内和之外星系的距离，并且是用来估计哈伯常数[3][4][6][14][15]。经典造父变星也曾被用来阐明我们银河系的许多特性，像是太阳位于银河盘面之上，和银河系在本地的螺旋结构[5]。

著名的北极星勾陈一也是一颗造父变星，光变周期约为4天，亮度变化幅度约为0.1个星等。

第二型造父变星

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第二型造父变星（也称为第二星族造父变星）是第二星族的变星，脉动周期在1-50天之间[16][17]。第二型造父变星通常是贫金属星，年老（～100亿年）、低质量（～0.5太阳质量）。第二型造父变星又分成几个子群，周期在1-4天的是BL Her子群、10-20天的是W Vir子群、周期超过20天的是RV Tau子群[16][17]。

第二型造父变星用来建立至银河中心、球状星团与星系的距离[5][18][19][20][21][22][23]。

矮造父变星

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矮造父变星即为盾牌座δ变星。其他著名的矮造父变星包括五帝座一（狮子座β）和王良一（仙后座β）。织女星被怀疑也是盾牌座δ变星，但是尚未能证实。

异常造父变星

牧夫座BL型变星（BLBOO，BL Boötis variable 或 ACEP）

一群在不稳定带上，周期少于2天的脉动变星，类似天琴座RR变星，但是光度较高。异常造父变星的质量比第二型造父变星、天琴座RR型变星高，也比我们的太阳高。尚不清楚它们是在转回水平分支的年轻恒星，还是联星系中进行质量转移的蓝掉队星，或甚至是两种的混合[24][25]。

双模式造父变星（Double-mode Cepheids variable）

双模式造父变星指显示出不止一种脉动的模式的异常造父变星；通常有两个周期：主周期为2-7天，副周期通常为主周期的0.8倍。主要类型有BCEP（B）， DSCT（B）， HADS（B）， SXPHE（B）， DCEP（B），天琴座RR型的子类由RRD型表示。

历史

在1784年9月10日，爱德华·皮戈特检测到天鹰座η的光度变化，这是第一颗被描述的经典造父变星。但是，这一种造父变星却以几个月后由约翰·古德利克发现的变星造父一为代表。造父一的视星等最亮时为3.7等，最暗时为4.4等，光变周期为5天8小时47分28秒。经典造父变星的光度与周期的关联性是哈佛大学的亨丽爱塔·勒维特于1908年调查了麦哲伦云内成千上万颗的变星所发现的[26]。她发现，造父变星的光变周期越长，视星等越小。她利用小麦哲伦云中的造父变星确立了视星等和周期之间的准确关系，因为小麦哲伦云离我们足够遥远，恒星又非常密集，其中每颗恒星到地球的距离都可以看作是近似相同的，因此勒维特发现的光变周期与视星等的关系可以视为是光变周期与绝对星等的关系。由视星等转化为绝对星等，需要解决周光关系的零点标定问题。她在1912年以25颗造父变星与更进一步证据一起发表[27]。 在1913年，丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙对造父变星做了些研究，利用视差法测定了银河系中距离较近的几颗造父变星，标订了距离尺度。

在1915年，美国天文学家哈罗·沙普利成功的解决了造父变星零点标定的问题，并使用造父变星订出我们银河系最初的大小和形状，以及太阳在期间的位置。

1924年，爱德温·哈伯计算仙女座大星系中某经典造父变星的距离，显示它不是银河系内的成员。这解决了岛宇宙辩论所涉及的宇宙和星系是否是同义字的问题，或者银河系只是组成宇宙的众多星系中的一个[28]。

在1929年，哈伯和米尔顿·赫马森结合由造父变星测量出距离的几个星系，和维斯托·斯里弗测量的星系退行速度，制定了现在称为哈伯定律的公式。他们发现宇宙在膨胀（参见：膨胀宇宙模型（英语：Metric expansion of space））。但是，在几年前乔治·勒梅特已经提出这种论断[29]。

在20世纪中叶，在将具有不同属性的造父变星分为不同的类别之后，天文上影响深远的距离问题获得有效的解决。在1940年代，沃尔特·巴德将造父变星分为两个族群（经典和第二型）。经典造父变星是年轻的、质量较大的第一星族星，第二型造父变星则是比较老且暗弱的第二星族星[16]。经典造父变星和第二型造父变星遵循不同的周期和亮度关系。平均而言，第二型造父变星的绝对星等比经典造父变星暗了1.5等（但仍比天琴座RR型变星亮）。早期以造父变星对距离的测量，因为不经意的掺杂了经典造父变星和第二型造父变星，因而变得很复杂[30]。沃尔特·巴德开创性的发现导致M31的距离增加了4成，和建立了河外星系的距离标尺。部分是因为天琴座RR的变光周期很短，很早就被确认是独立的另一种变星（大约在1930年代）。

以造父变星测量距离的不确定性

捆绑在经典造父变星和第二型造父变星之间，对距离测量的不确定因素主要是：周光关系在不同通带的本质，零点和斜率的关系这两者都会冲击到丰度，以及光度计的污染（混合）和衰减的变化规律（通常是未知的），都会影响到造父变星测量的距离。所有这些主题在文献中都有所争辩[4][11][14][21][31][32][33][34][35][36][37][38]。

这些未解决的事项已经导致哈伯常数的值（以经典造父变星建立）在60 km/s/Mpc和80公里/s/Mpc之间不等[3][4][6][14][15]。解决此一差异是天文学当今的首要问题之一，因为宇宙学的宇宙参数受到哈伯常数数值精确的制约和影响[6][15]。

脉动的动力学

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。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。

现今所接受的造父变星脉动解释称为“爱丁顿阀”[39]，或“κ机制”，此处的希腊字母κ（kappa）表示气体的不透明度。

氦被认为是整个过程中最活跃的气体：当氦的温度越高、电离程度也越大，而双电离（缺少两颗电子的氦原子）的氦比单电离的氦更“透明”。在造父变星脉动循环最暗淡的部分，在恒星外层的电离气体并不透明，恒星辐射的能量无处释放，便开始加热气体。

温度上升带来两个影响：1. 恒星开始膨胀、2. 电离程度增加。此时气体温度随著膨胀降低，而因为电离度上升变得更加透明，允许较多的辐射逃逸，于是膨胀停止并开始收缩。这个过程一次又一次的重复著。

这个热引擎的脉动机制是亚瑟·爱丁顿在1917年提出的[40]（他撰写了一段造父变星的动力学），但是直到1953年S. A. Zhevakin才证实了氦的电离[41]像是一种引擎的阀。

范例

  • 经典造父变星：天鹰座η、双子座ζ、剑鱼座β、御夫座RT、北极星，和据以命名的造父一。北极星（勾陈一）是距离最近的经典造父变星。虽然这颗恒星展示出许多特性，光变周期约为4天，亮度变化幅度约为0.1个星等；但是它的距离仍是一个争议很多的议题[42]。
  • 第二型造父变星：室女座W型变星和武仙座BL。
  • 矮造父变星：盾牌座δ、凤凰座SX。
  • 异常早父变星包括：鲸鱼座XZ和牧夫座PL。

相关条目

参考资料

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外部链接

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