第四节 恒星系统
第四节 恒星系统
在为漫长的旅途选择伴侣时，恒星和人类相似。有些恒星独自沿着直线前进，速率不变，不受别人影响。有的恒星成对出现，一起旅行，有的肩并着肩，有的不知疲倦地互相绕着跳舞，它们叫作双星。还有些会组成一个小团体，叫作聚星。还有一些组成一个大团体，叫作星团。无论独自一人还是成群结队，它们都属于星辰世界的各大区域，即星云或星系。群居是天体的一个明显特点。让我们来认识一下恒星聚合成的各种系统。
目视双星
北斗柄中间那颗叫开阳（Mizar），是有名的双星，用很小的望远镜就能看出它是两颗亮度不同的星。1650年就有关于这一情况的记载。后来又发现一些肉眼看上去是一颗、望远镜观测是两颗的星。但是那时没有人知道这意味着什么，也没有人过多关注它们。确实，我们可以认为，天上那么多星星里肯定有距离很远但方向十分接近的，所以它们会被看成一颗。可是稍微计算一下，发现这类光学双星（Optical binary）比已发现的双星少很多。看起来，它们应该是真正联系在一起的。一对星之间的角度越小，两星存在物理联系的可能性就越大。通过望远镜发现的这种双星叫目视双星（Visual binary）。
目视双星大多并肩同行，还没发现有互相环绕的。其他很多星都存在旋绕系统，这一点和太阳与地球一样，但它们的距离和运转周期都更大。小马座δ星的周期不到6年，它正是因这个短暂的周期而出名，它的两颗星的距离甚至小于木星到太阳的距离。半人马座α星也是旋绕系统的例子，周期大约为80年，两星的平均距离比天王星与太阳的距离大一些。此外还有北河二，两颗星相绕的周期大约为300年，平均距离大概是冥王星与太阳的距离的2倍。事实上，北河二是首个被发现具有旋绕系统的双星。1803年，威廉·赫歇尔发现了两颗星之间的线，根据距他约百年的布拉德利（Bradley）的记录，两颗星确实改变过方向。这个发现很重要，在此之前，包括赫歇尔在内的天文学家都以为望远镜观测到的双星只是视双星，这个发现才让大家意识到它们至少有一部分是有联系的物理系统。寻找和研究目视双星的工作从此拉开帷幕，并一直持续，观测区域延伸到南天极——早期的观测者大多数没有机会观测那里。
艾特肯（Aitken）是公认的研究目视双星的权威，他来自里克天文台。他把望远镜能观测到的亮度大于九等的星都研究了一遍，这项工作到1915年才完成，共发现4 300颗目视双星，其中半数时间都是他一个人在努力。到了1932年，艾特肯已经发现17 000多颗距北极120°之内的目视双星，并制成了表，他得出结论：亮度高于九等的星每18颗中就有一颗双星，南天的观测表明这个结论在那里也适用。
观测双星通常需要在目镜处安装测微计（micrometer）。测微计上有蛛网，能在视野中保持自身平行地移动，能够旋转，这些功能通过精密的标尺实现。观测时，需要使用测微计测量两星的分离角度以及较暗的那颗星（一般被称为伴星）的方位。观测需要持续一段时间，直到伴星绕了一圈或者走过的距离足够长，便可以开始计算轨道了。相对轨道有七个要素——如大小、偏心率、交角——可以用来确定轨道，但是一般情况下没法根据这些信息确定轨道哪侧对着我们。这些轨道和天地平面所成角度各不相同，总的来看，它们是比行星的轨道更扁的椭圆。
天狼星和南河三是两个非常值得关注的目视双星，它们分别属于大犬座和小犬座。它们到我们的距离分别为8.8光年和10.4光年，都位于距离我们最近的恒星区域，还都具有明显的恒星之间的运动。人们很多年前就发现这两颗星不像单独的恒星那样沿直线运动。它们的运动轨迹是波浪形的，这足以证明它们拥有比较暗的伴星，一边环绕运动一边前行。像人们发现海王星和冥王星一样，人们在观测到那两颗伴星之前就知道它们的存在了。1862年，人们第一次通过望远镜观测到天狼星的伴星，1896年，南河三的伴星也被观测到了。
分光双星
我们已经知道，很多用肉眼看是一颗的星，在望远镜中看却是两颗，然而还有很多星在最大的望远镜看来也是一颗，却被分光仪区分开了。这意味着若不是环绕轨道的平面正对着我们，那颗星就得有时靠近我们有时远离我们。当它靠近的时候，光谱上的纹路就移向紫色那边；当它远离的时候，纹路又移向红色那边。这便是非常有名的多普勒效应。如果一颗恒星光谱上的纹路反复移动，排除地球公转的因素后，便可以确定这颗星是分光双星（Spectroscopic binary），移动的周期就是旋绕的周期。如果伴星的亮度够大，光谱中也会留下它的纹路。如果两颗星谱型相同，那么两组相似的纹路会以相反的形式反复移动，这导致纹路有时成双，有时为单，后者意味着它们重叠在一起了。
北斗星里的开阳是第一颗被辨认出来的分光双星。说起来真是巧，它也是第一颗被发现的目视双星。1889年，哈佛天文台率先分出这对目视双星里较亮的那颗星的光谱，有些照片里它的光谱是重复的，有些照片中是单的，但是这两颗星无法用望远镜区分开。它们以20.5天为周期互相环绕，相隔的距离比天王星与太阳的距离大一点。
后来又发现了1 000多颗分光双星，有几颗是非常亮的星，比如五车二、角宿一、北河二。五车二是两颗亮度接近的黄色星，周期为102天。角宿一有两颗蓝色星，距离比较近，它们的旋转速率分别是130千米/秒、210千米/秒，周期大约4天。从望远镜中看，北河二是两颗星，其实它们分别是一对分光双星，也就是说肉眼看上去只有一颗星的地方其实有4颗星。这样的双星系统变化多端，有的差不多连在一起，几个小时就绕一周；有的几个月才绕一周，未来被大的望远镜区分为目视双星的可能性很大。
很多双星的光谱有一个共同特点：三条暗纹不会跟着其他纹路变动。它们是夫琅禾费谱线中紫色区域的H和K钙线，以及黄色区域的双D钠线。有的观点认为，这些暗线意味着相应的光传到地球的路上被宇宙中少量的气体吸收掉了。
双星非常多，事实上，大概每4颗星就有一颗双星或聚星。有些天文学家提出一种观点，像太阳这样的单独的恒星反而属于少数。对恒星的本质进行详备的阐述也许能够解释为什么会出现这么多双星。有一种关于双星形成的分体学说引起很多关注，这个学说认为一颗星急速旋转会分裂成两颗，还设想造父双星的脉动是分裂造成的。原来的星分裂成两颗后，就成为距离接近的分光双星。受彼此吸引的浪潮的力量影响，距离和旋转周期可能增大，但不一定会增大到远得成为目视双星的程度。
让我们把这些假设先放一放。双星系统最大的作用是帮我们测量恒星的质量，利用目视双星进行计算十分简单。用视差（单位是秒）的立方乘以周期（单位是年）的平方，除以两颗星的平均距离（单位是弧秒）的立方，结果就是两颗星质量的总和。表示这个质量时通常以太阳质量为单位。我们介绍过，单颗恒星的质量和太阳质量差不多。让我们以后者作为这个法则里质量的和（它要根据双星的类型有所增减），然后算出双星的视差，也叫力学视差，然后就能算出比较准确的距离了。
食双星
有些分光双星距离很近或者运行的轨道以边对着我们，这就是食双星或食变星。英仙座的妖星——大陵五是这类星中最早被发现并且最出名的。这颗星很准时地以2天21小时为周期变光。如果不借助最精密的仪器，2天半中大陵五的亮度都看不出变化，然后它会在5个小时里渐渐变暗，直到之前亮度的1/3，接着它会再用5个小时恢复之前的亮度。
大陵五有10个小时亮度发生明显变化，是因为它和较暗的伴星发生了食。我们可以知道发生的是偏食，因为亮度变暗和恢复紧密衔接。如果是全食，发生全食的时候最小亮度会持续一阵子。如果是环食，也就是前面那颗星完全挡在后边那颗星之前，但不能完全遮挡后边那颗星，也会导致出现最低亮度，不过亮度的减少和恢复也有自身特点。其他的食双星中有这样的例子。
在两次主要的食间隔的这段时间里，亮度也不是稳定不变的，有时候还会变化得很明显，尤其是时间过半，较暗的星被较亮的星食去时。除了食，两颗星还有一个明显变化，就是它们不成球形。一个原因是它们在自转，会使两极变扁，另一个原因是它们向对方起浪潮而变得更长。(https://www.daowen.com)
要想对食双星的轨道有全面的了解，需要在它们变光的过程中精确地测量光度，还要研究它们的光谱。通过这些工作得到的恒星的形状、大小是非常有价值的。除了大陵五，还有一些变化程度大、容易观测的肉眼可见的明亮的星，如天琴座β星、金牛座λ星、武仙座μ星、天秤座δ星。
食星系属于分光双星的特殊情况，它们基本都以轨道的边对着我们。如果从恒星系统的其他区域来看，这些星是没什么变化的，但另外一些我们发现不了变化的双星却在交食并变光。
星团
星团不是穿行天空的星偶尔的群集，它们是以一定的秩序结伴旅行的星群。星团可以分成两类：疏散星团（Open clusters），也叫银河星团（Galactic clusters），因为它们集中在银河里，以及球状星团（Globular clusters）。
肉眼能够看到几个距离较近的星团里最亮的星。被称为“七姐妹”的昴星团就是个例子。7颗明亮的星肉眼可见，像一把挂在秋冬夜空上的短柄勺子。如果视力很好，可以看到9颗或10颗属于这个星团的星，用望远镜能看到更多。昴星团的南侧是毕宿星团，它是明显的疏散星团，同属金牛座。这群星团是指示天牛头部的V字的一部分，红色的亮星毕宿五也在这块区域，但它不属于这个星团。
在天空中，疏散星团的成员行动一致。它们中的一部分距我们很近，以至能够明显地观察到它们的运动，我们把它们叫作移动星团（Moving clusters），毕宿星团就是个典型的例子。这群成V形的星（不包括毕宿五）和它们附近的星都在向东移动，它们前进的路线不平行，看起来就像许多条向远方汇集的道路，这也意味着它们还会继续远离。上百万年以前，这个星团距离我们大约65光年，现在这距离已经增加了1倍。近亿年以后，这个星团会到达距离猎户座红色的参宿四不远的地方，缩小成望远镜里一团暗淡的斑点。
我们现在就置身于一个移动星团里，但是太阳不属于这个星团。这个星团一部分在北天，帮助组成北斗星，北斗柄末端的那颗以及指极星上的一颗不属于这个星团。南天的天狼星，以及远远地散落在天空其他区域的亮星，都是这个星团的成员。很多年以后，它们会丢下我们，走得很远，看上去就是疏散星团常见的样子了。
有些疏散星团看起来很像一团雾，典型的例子是被称为“蜂巢”的鬼宿星团。这个星团属于黄道星座的巨蟹座，位于狮子座那把镰刀两边不远的地方。通过一架望远镜就能把这个淡淡的光斑大致分辨成星团。银河里有一块云状的光斑，离仙后的宝座不远，属于英仙座。通过小望远镜能在那里发现两个星团，我们称为英仙座双星团。用望远镜沿着银河顺流而下，还会发现一些漂亮的疏散星团。这些星团中最近的那些看起来也远在银河以外，这一点并不让人意外。后发座星团离银河的北极很近，位于狮子座和牧夫座之间。
疏散星团中没发现有助于测量距离的造父变星或星团变星。事实上，这种星团里还没发现过变星。为了测量这些星团的距离，天文学家找到了别的办法。里克天文台的天文学家特兰勃勒（Trumpler）为100多个星团测了距离和大小。有一个发现让人惊奇，这种星团的直径似乎随它们与地球距离的增大而增长。
这种有体系的发现需要进行解释。我们并不认为地球这么重要，能令星团有规律地向着它排列，这种有规律的增长应该属于观测或计算中的特别情况。在测量距离时，我们一般认为空间是透明的。设想空间里充满了很稀薄的雾，远方的星团的光穿透这些介质会变暗，令星团显得比实际的距离要远一些。为了补足它成的角度，它得更大。这样一修正，就导致越远的星团变得越大。
特兰勃勒做了一个假设，来解释疏散星团距离的增加。假设银河面上有一层厚达几百光年的吸收物，透过它去看一颗距离我们3 000光年的星，亮度会减少50%。这个吸收层对距离银河很远的天体影响不大，但是处于银河面上的疏散星团则会受到不少影响。由此推论，形成银河的星云肯定也会受到影响。隔着这层雾看过去，星云更暗，显得比实际距离更远。在这种误会下，通常被认为直径达20万光年的银河系缩小得只剩三四万光年了。上边的结论是特兰勃勒在研究疏散星团时得出来的，但是还需要仔细推敲。
球状星团
第二种星团包括宏大壮丽的球状星团。这种大星团远离银河集聚的区域，处于我们这个系统的边缘，那里的星很稀少。据推测银河系约有150个球状星团，其中约有20个还未被发现，麦哲伦云中发现了10个。
距离我们最近也最明亮的球状星团有两个，分别是半人马座ω、杜鹃座47号（47 Tucanae），位于北纬中纬度地区的人并不能看到它们。它们距离我们约2.2万光年，呈云状，亮度四等，能够被肉眼看到。通过望远镜能看出它们是由恒星组成的球，并且是稍扁的球，这表明它们在旋转，两极略扁的情况和地球类似。通过长曝光照片发现它们拥有几千颗星，但是由于中心区域过于密集，计算结果不太精确。
位于北纬中纬度地区的观测者可以通过望远镜观测到武仙座大星团M13，它是这个地区可见的最漂亮的球状星团。夏季傍晚的时候，它会在我们头顶。武仙座像一只蝴蝶，这个星团位于蝴蝶头部和北方翼尖连线的2/3处。在适当的时候，肉眼隐约可以看到它，但是用望远镜来看更好，通过望远镜拍下的照片更加壮观。
这个星团远在3.4万光年之外，只有一些比较亮的恒星能被观测到，那些亮度不如太阳的星就算拿最大的望远镜也看不到。目前能看到的有5万颗，是肉眼可见的星的20倍。可以肯定，武仙座星团星的总数达数10万。星团里大部分的星位于70光年的范围内，最紧密的部分直径大约30光年。和太阳周围相比，在同样大的区域里，那里的星多得多。想象一下，要是我们身处这个星团的中心，天空上将多出多少辉煌灿烂的星座！
夏普利分别在威尔逊山和哈佛对球状星云进行研究，得到一些成果。他测算出了基本可信的星团的距离，数值在2.2万~18.5万光年之间。这些星团不在银河中间的平面上，而是比较均匀地分布在两旁，这预示着它们和星云系统也存在某些联系。总的来看，球状星云分布的区域直径约20万光年，区域的中心在人马座，距离地球大约5万光年。假设银河系的大致轮廓是由这些星团绘出的，那么银河系的直径就是20万光年，中心就在人马座方向上距离我们5万光年处。
银河里的恒星星云
在夏末或秋天的傍晚，处于北纬中纬度地区的人能看到银河最美的样子，它像一条闪闪发亮的光带从东北到西南穿过中天。在没有月亮的晴朗夜间，在没有人造光源污染的地方，它是眼睛所能看到的最令人心动的景色。
让我们把视线投向东北方的地平线，沿着银河逆流而上，先后路过英仙座、仙后座、仙王座，到达北方大十字（天鹅座），初秋傍晚时，这里已经接近天顶。在这里，银河分为两道支流，分别前行直到南十字座。银河大大小小的分支并不意味着银河真的分开了，而是有一些宇宙尘埃遮住了一部分星星，后面我们会详细说说这件事。
天鹅座以南，西侧的支流渐渐变暗，接近地平线时又亮了。东侧支流路过天鹰座时更明亮，之后在盾牌座（Scutum）和人马座汇聚成壮丽的星云。无论是通过望远镜观察还是直接用肉眼看，这一片区域和邻近的蛇夫座、天蝎座都是银河里很显眼的地方。使用短焦距望远镜可以为它拍下细节清晰的照片。巴纳德为这里拍下了十分美丽的照片，此外他为北纬中纬度地区能够观测到的银河的其他区域也拍了照，同样精彩。一部分照片是在威尔逊山使用10英寸口径的布鲁斯望远镜拍摄的，其余的是在叶凯士天文台（Yerkes Observatory）拍摄的。
银河进入南方的地平线以下，路过人马座时分支没了，接着又到了距离天球南极很近的南十字座。接着又往北去，像一条宽阔的河流装点我们冬季的夜空。这一段银河不如夏天看到的那段明亮，也没有明显地汇集起来的星云。到了农历十一月，银河会流经两颗犬星和猎户座，然后路过双子座、御夫座，这里已经接近天顶了，接着它会进入英仙座。
我们所看到的银河是银河系里的星云在天空上形成的一圈投影。显而易见，穿过这条光带中心的圆面就是这个扁平状的宇宙系统的主要平面。我们的任务是根据这圈投影绘制一幅银河系的全图。后面我们会谈到描绘这张图的进展，以及天文学家走出银河系边界、探索河外星系的发现。
星云是构成银河系的重要部分，无论它是明是暗。我们首先应该关注银河系里的星云。
