脈動變星質量預測之謎終解

49太歲

 

　　天文學家發現一對奇特的雙星。這對雙星系統不僅是食雙星（eclipsing bianry），也就是它們的公轉軌道面幾乎側向地球，從地球上觀察可見兩星互相掩食而使亮度改變，而且其中一顆是脈動變星中的造父變星（Cepheid variable）。由於幾乎可確定軌道傾角，因此從雙星系統所得的兩星質量相當精確，尤其是向來只能大致估算的造父變星質量；現在天文學家首度得以確定恆星脈動理論（stellar pulsation theory）的正確性，解開一個懸宕已久的天文之謎。

　　智利康賽普西翁大學（Universidad de Concepción）天文學家Grzegorz Pietrzy?ski領軍的研究團隊，利用歐南天文台（ESO）位在智利La Silla觀測站的3.6米望遠鏡及HARPS光譜儀，並配合其他望遠鏡來進行次觀測。

　　典型的造父變星是不穩定的恆星，質量通常比太陽大，也比太陽亮。它們會規律的膨脹、收縮而使亮度發生變化，完成一次漲縮脈動變化的週期從幾天到幾個月不等。不過，愈亮的造父變星，變化週期會愈長；反之愈暗的愈短。這個「周光關係（period luminosity relation）」由Henrietta Leavitt發現於1908年，這個特徵使得造父變星成為鄰近星系、甚至由此擴展到全宇宙的最佳距離測量工具之一。

　　然而不幸的是，雖然造父變星很重要，但天文學家並未完全掌握造父變星的性質。關於造父變星質量，有兩種理論進行預測，其中是脈動變星理論，另一種是恆星演化理論。但以脈動變星理論，比以恆星演化理論預測的造父變星質量少了20~30%左右。天文學家從1960年代開始就遭遇這個理論預測的差異，但卻一直無法解決。

　　為了解決質量預測差異問題，天文學家必須尋找含有造父變星的雙星，尤其是軌道側向地球的食雙星，以便利用這種雙星的特性來精確估算其質量。但這種雙星非常稀少，在此之前根本沒見過。Pietrzy?ski等人最近終於在大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud，LMC）中發現一對這樣的奇特雙星OGLE-LMC-CEP0227。其中的造父變星脈動週期約為3.8天，互繞週期約310天，而另一顆子星則比較大但表面溫度較低。而利用HARPS和其他光譜儀測量出的都卜勒效應（doppler effect），得出恆星遠離或接近地球的視線方向速度（徑向速度）得出公轉運動，也測量出造父變星本身的膨脹收縮速度。

　　從這些測量結果，Pietrzy?ski等人可以確定各參數，包括雙星的軌道運動、兩星直徑大小與質量，精確度比之前曾做過的任何造父變星都高很多。其中，造父變星質量的誤差僅在1％左右，且數值與以脈動變星理論預測的相去不遠，與以恆星演化理論預測的結果則差異頗大；恆星演化理論在造父變星預測這一項已經被判出局。

　　Pietrzy?ski等人希望未來能發現更多類似的雙星系統，除了能進一步確認造父變星質量問題外，他們還相信這種雙星系統可以讓大麥哲倫星系的距離誤差縮小到1％以內，對研究宇宙距離尺度而言是個非常重要的改善工作。

　　第一顆造父變星是英格蘭John Goodricke於1784年發現的仙王座Delta星，中名「造父一」，後來其他類似的變星變以之統稱為「造父變星」，不過造父一仍是其中最亮的。Goodricke也是第一位解釋食變星（食雙星）的亮度變化原因者。

《 本帖最後由 49太歲 於 2011-1-24 08:30 編輯 》