周一 · 知古通今 |周二 · 牧夫?qū)?/strong>

周三 ·太空探索|周四·觀測(cè)指南

周五·深空探索|周六·茶余星話|周日·天文周歷

“

盡管很多現(xiàn)代人找不到北極星（勾陳一），但它無疑是北半球最著名的星！之所以很多現(xiàn)代人找不到北極星一方面是因?yàn)楣馕廴?，城市上空可以辨識(shí)的星越來越少，而北極星視星等只有2等，如果按照亮度，排在它前面的有近50顆恒星，如果不是晴朗無云的天空，城市里確實(shí)不容易看到北極星；另一方面是因?yàn)楝F(xiàn)代人很少仰望天空！然而，對(duì)于北半球的古代人，北極星是辨別方向的法寶，特別對(duì)于航海，它意義重大。對(duì)于天文愛好者來說，北極星也有非凡的意義，它距離北天極不到1度，漂亮的星軌就圍繞它展開！但是北極星（勾陳一）并不永遠(yuǎn)是最靠近北天極的星，它也僅僅是從1200年開始才稱得上北極星，2500年后勾陳四才是名副其實(shí)的北極星！這并不是因?yàn)楸睒O星在晃動(dòng)，而是我們的地軸在擺動(dòng)。同時(shí)，北極星本身也不穩(wěn)定，它是一個(gè)三合星系統(tǒng)，并且亮度不斷變化。

星軌攝影作品

credit：wikipedia.org

如何尋找北極星

首先你必須在北半球！最簡(jiǎn)單的方法是使用指南針，確定正北方向，你所處的緯度大約就是北極星的高度角，也就是沿著這個(gè)方向可以找到北極星。牧夫天文2017年刊文《為什么北極星那么重要？》曾詳解其原理。電影《金蟬脫殼》中史泰龍扮演越獄專家，他就是利用這個(gè)原理得知他的監(jiān)獄所在緯度。還有觀星常用的星橋法，北天最顯著的星座是大熊座，雖然大熊座非常巨大，全部觀測(cè)難度較大，但其中的北斗七星則是北天最容易辨識(shí)的星圖之一，這個(gè)勺子的碗部由四顆星構(gòu)成，沿著末端的兩顆星向勺碗前方延伸5倍距離就是北極星，同時(shí)北極星是小熊座小勺子柄的末端，見下圖。

星橋法尋找北極星

源自wiki

北極星的身世

北極星（小熊座α星，中文勾陳一）是一個(gè)三合星系統(tǒng)，其主星北極星A是一個(gè)巨大的、明亮的、年邁的、黃色超巨星。北極星A質(zhì)量是太陽的6倍，如果將它和太陽放在一起，亮度是太陽的2000倍。它的直徑是太陽的45倍，如果它處于太陽系的中心，它的邊界將超過水星軌道的一半。北極星目前是最靠近北天極的星，距離地軸向北延伸的北天極大約40‘，我們可以伸出胳膊來感受這個(gè)距離，一臂遠(yuǎn)小指寬度大約1度。但正如引言描述的如果將最靠近北天極的星稱為北極星，那北極星會(huì)持續(xù)更替，這是因?yàn)樵谔柡驮虑蛞ψ饔孟碌剌S會(huì)擺動(dòng)，周期為25800年，這個(gè)擺動(dòng)被稱為歲差，見下圖。

地軸擺動(dòng)區(qū)域

從公元前10000年，人類早期農(nóng)業(yè)和畜牧期，北天極在武仙座。而現(xiàn)在已運(yùn)行至小熊座，整個(gè)圈需要25800年。對(duì)于太陽系也存在北黃極，它靠近NGC6543（貓眼星云）。

Credit：skyandtelescope.com

我們回到法老胡夫的那個(gè)年代，他在吉薩地區(qū)建造了首個(gè)金字塔。那時(shí)是公元前2550年，天龍座α（紫微右垣）是北極星；2000年后，勾陳一和紫微右垣距離北天極的距離相當(dāng)，在那個(gè)時(shí)期，腓尼基人使用小熊座的若干星一起確定北天極；再后來，北天極越來越靠近現(xiàn)在的勾陳一，可以考證的是：北歐斯堪的納維亞地區(qū)人們使用勾陳一來確定北方；十四世紀(jì)的意大利詩人也在他的作品中描述了小勺子的勾陳一，星軌圍繞它展開；到2100年，勾陳一距離北天極最近，小于0.5度，大約相當(dāng)于滿月的寬度。

快樂的伙伴

1780年，威廉·赫歇爾通過小型望遠(yuǎn)鏡最早發(fā)現(xiàn)了伴星北極星B，北極星A和北極星B運(yùn)行周期4萬年。1929年，約瑟夫·摩爾發(fā)現(xiàn)了另外一顆更近的伴星北極星Ab，北極星Ab亮度約是北極星B的一半，北極星A的亮度是它的700倍，因此它淹沒在北極星A的光輝中，摩爾之所以發(fā)現(xiàn)北極星Ab，是通過光譜分析做到的。伴星圍繞主星運(yùn)行，周期約30年，它的光譜區(qū)別于主星。直到2006年，天文學(xué)家才通過哈勃望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)到北極星Ab，但想要通過周期運(yùn)動(dòng)來推測(cè)質(zhì)量，哈勃望遠(yuǎn)鏡已觸及性能極限，研究人員通過佐治亞州立大學(xué)查拉望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)算結(jié)果。天文學(xué)家估計(jì)這個(gè)三合星系統(tǒng)誕生于7000萬年前，這比46億年的太陽系年輕太多！恒星的宿命就是按照恒星演化規(guī)律進(jìn)行的，越大質(zhì)量的恒星壽命越短，北極星A已經(jīng)年邁，而北極星B和北極星Ab的質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的1.5倍甚至更小，所以它們還會(huì)持續(xù)燃燒50億年。但三合星系統(tǒng)的同源性受到質(zhì)疑，有學(xué)者通過研究恒星亮度和溫度，結(jié)合赫羅圖推算演化階段和時(shí)間，拋出全新的推測(cè)，這里就不展開描述了。

北極星三合星系統(tǒng)示意圖

Credit：skyandtelescope.com

變變變

北極星A誕生于7000萬年前，它質(zhì)量巨大，快速燃盡了內(nèi)核的氫，離開主星序進(jìn)入不穩(wěn)定階段（如下圖赫羅圖所示）。它是一顆變星，亮度周期性變化。1794年，約翰·古德利克最早發(fā)現(xiàn)了仙王座δ的周期光變，它被稱為造父變星，這類星通常是黃巨星或超巨星，通常質(zhì)量為太陽的3-18倍，直徑35-80倍。之所以會(huì)周期性光變，是因?yàn)楹阈沁M(jìn)入不穩(wěn)定期，引力和輻射壓力平衡被打破，造父變星有一層氦，當(dāng)壓縮時(shí)，溫度上升，氦繼續(xù)電離，阻止了向外輻射，溫度和壓力進(jìn)一步上升，內(nèi)部壓力越來越高沖破氦層，輻射出的光和熱突然增多，減壓后，引力作用逐步占優(yōu)勢(shì)，造父變星收縮，不斷重復(fù)上述過程，產(chǎn)生光變周期效果。

北極星A位于地球445光年外，這個(gè)距離之前一直有所爭(zhēng)議，但它無疑是最近的造父變星。1912年，亨麗愛塔·勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星越亮，光變周期越長(zhǎng)。這就讓造父變星成為宇宙中的標(biāo)準(zhǔn)燭光，在宇宙尺度下幫助測(cè)量距離。但北極星A的情況比較復(fù)雜，并不適于用作標(biāo)準(zhǔn)燭光。

根據(jù)赫羅圖北極星A會(huì)三次進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，在不穩(wěn)定區(qū)就會(huì)有造父變星的表現(xiàn)，但光變周期并不是一成不變，亮度變化范圍也是變化的。二十世紀(jì)90年代的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，亮度變化從5%下降至1%，肉眼根本無法辨別。2008年，3個(gè)獨(dú)立科研團(tuán)隊(duì)報(bào)告亮度變化已恢復(fù)至5%。

赫羅圖，黑色線為5倍太陽質(zhì)量的恒星演化情況

Credit：skyandtelescope.com

神秘的X射線

此外，科學(xué)家觀測(cè)到來自北極星A的X射線，這一現(xiàn)象同樣發(fā)生在仙王座δ，但并不確定發(fā)射X射線是否屬于造父變星的特性，很多造父變星沒能探測(cè)到X射線可能因?yàn)槲覀兊脑O(shè)備不夠靈敏。目前，天文學(xué)家還沒能搞清楚X射線的成因，讓我們帶著問題繼續(xù)探索！