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星星的星口普查報告:赫羅圖的前世今生

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恆星究竟是什麼?他們也有生老病死嗎?這些問題是天文學家自古以來不斷追尋的提問,然而人類的壽命相較於恆星實在是太過短暫,難以見證一顆恆星從出生到死亡的全部過程。不過,若是我們能辨識出恆星在不同生命階段的樣貌,是否就有機會拼湊出恆星的一生呢?在介紹恆星的一生之前,這一篇文章先帶大家回到19到20世紀初期認識天文史上重要的星口普查工具之一──赫羅圖(HR diagram)。

赫羅圖是能以最直觀方式呈現恆星群體的顏色、溫度、亮度等特徵樣貌的關係圖。

赫羅圖是能以最直觀方式呈現恆星群體的顏色、溫度、亮度等特徵樣貌的關係圖。

全天空的大型星口普查

在克希何夫等物理學家的努力下,人們對光譜的知識與觀測能力提升,再加上19世紀上半葉攝影技術的發明,天文學家不僅可以用客觀的方式大量記錄下恆星的亮度和光譜譜線,還讓記錄成為可供後續分析的數據。有了這兩大利器,恆星光譜相關的研究蓬勃發展,終於讓大規模的恆星觀測、資料整理成為可能。天文學家因此可以比較不同恆星族群的特徵去推敲出年齡順序,藉此拼湊出恆星從出生到死亡會經歷的不同階段,就好像是在社會中進行人口普查一樣。

1886年哈佛大學天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering)在美國天文攝影先驅亨利‧德雷伯(Henry Draper)遺孀的贊助下,展開超過五年、針對北天球的1萬多顆恆星進行觀測。由於從目視觀測進步到攝影紀錄後資料量大幅度增加,預算有限卻又需要大量人手協助整理資料,皮克林遂招募了許多女性計算員來協助他實現這個野心勃勃的計畫。之所以找來的計算員都是女性,一方面是因為在19世紀末期即便是受過教育的女性,平均薪資仍不及從事同樣工作的男性的一半,另一方面皮克林也不滿男性員工的工作成果,甚至認為自家女僕都做得比正職員工還好。

哈佛天文台的計算員以女性為主,間接培育了包括安東妮亞‧莫里(Antonia Maury)、安妮‧坎農(Annie Cannon)、亨麗埃塔·史旺·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)等天文學家。圖中站立者即為弗萊明。圖片來源:哈佛大學圖書館

哈佛天文台的計算員以女性為主,間接培育了包括安東妮亞‧莫里(Antonia Maury)、安妮‧坎農(Annie Cannon)、亨麗埃塔·史旺·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)等天文學家。圖中站立者即為弗萊明。圖片來源:哈佛大學圖書館

事實證明女性計算員的工作能力確實很好。皮克林傳授分析方法給了他的女僕弗萊明(Williamina Fleming),而在弗萊明的協助下哈佛天文台共整理了10351顆北天球恆星的分光資料,並根據光譜呈現的化學組成和特徵譜線區分了17類光譜型。這個在1890年出版的星表以亨利‧德雷伯的名義命名為《HD星表》,後續幾經改版,1918年的版本不但擴大收錄與區分了23萬5300顆恆星的光譜型,也獲得國際天文聯合會採用成為現今恆星光譜分類的基礎。編纂星表的過程中也培育了許多女性投身研究,就此改變了過去完全由男性主導天文科學的職場環境。

巨星與矮星的發現

在首版HD星表出版之後,皮克林繼續將弗萊明的工作交由安東妮亞‧莫里(Antonia Maury)安妮‧坎農(Annie Cannon),計畫讓他們分別負責北天球與南天球尚未收錄的恆星光譜分類,不過莫里卻對承繼弗萊明的分類法表示質疑。莫里是亨利‧德雷伯的外甥女,不但從小就接受嚴謹的教育,大學還是在美國首位擁有大學教職的女性天文學家瑪莉亞‧米切爾(Maria Mitchell)門下學習,因此讓莫里對於研究有更多自己的看法。

相對於弗萊明的光譜分類較為關注於恆星的化學組成,莫里發現即便被分為同一光譜型的恆星,同一元素的光譜吸收線仍有顯著的寬窄差異。因此,她除了在弗萊明的基礎上將恆星光譜重新區分成22個類別,同時為恆星外加了吸收線寬度的特徵描述,包括吸收線有一定寬度、但仍可辨識的a特性星;吸收線極寬且模糊的b特性星;以及氫、氦吸收線狹窄清晰,鈣線(H、K線)通常也較強的c特性星。然而,皮克林卻對莫里的分類方式非常不認同,甚至一度打斷她的分類工作,導致兩人合作關係惡化。

不同於老闆對莫里的不諒解,當時正在研究恆星自行運動的丹麥業餘天文學家赫茨普龍(Ejnar Hertzsprung)卻對莫里的研究成果非常感興趣。綜合莫里的光譜和其他星表的視差觀測,在統計結果上呈現c特性星的自行運動幅度、三角視差法所測量出的視差都很小,顯示在視星等相近的情況下c特性星的距離比其他恆星都還要遠,赫茨普龍因此推測c特性星是實際亮度(光度)比較高的巨星。在知道吸收線寬窄與光度的關係後,赫茨普龍進一步檢視恆星的光譜型,發現G、K、M型的恆星很明顯地可以被區分為光度極大和極小的兩群。視星等小於5等的亮星中有很多擁有c特性的紅色恆星,其餘M型恆星佔的比例極少,他認為造成吸收線寬窄差異的原因是前者的密度較小所致。

三角視差法是透過比較半年前後恆星相對於遙遠背景的視差角度,藉此測量恆星距離的方法,視差角度越小則恆星距離我們越遠。

三角視差法是透過比較半年前後恆星相對於遙遠背景的視差角度,藉此測量恆星距離的方法,視差角度越小則恆星距離我們越遠。

恆星距離遠近會影響到地球上看起來的亮度,因此需要將恆星的視亮度換算成同樣視差(距離)下的亮度才能進行比較。

恆星距離遠近會影響到地球上看起來的亮度,因此需要將恆星的視亮度換算成同樣視差(距離)下的亮度才能進行比較。

赫茨普龍在1905年於攝影科學的期刊上發表論文,並將論文寄給了皮克林請教他的意見。皮克林在回信中認為c特性只是觀測上的誤差,並非需要特別重視的光譜特徵。赫茨普龍則回信向皮克林表達不認同他的觀點,認為他無視莫里揭露的成果和「把鯨魚和魚視為同一類無異」。雖然論文不被皮克林所認同,但幸好德國哥廷根天文台的台長卡爾‧史瓦西(Karl Schwarzschild)對赫茨普龍的論文大為讚賞,兩人針對星團的共同研究中也正式將高、低光度星命名為巨星(giant)及矮星(dwarf),赫茨普龍也獲提拔進入天文台工作。

赫羅圖的誕生

1910年的美國天文學會會議在哈佛天文台舉辦,會中普林斯頓大學的天文學家亨利‧羅素(Henry Norris Russell)從恆星演化的觀點發表了他的研究。當時學界主流認為恆星溫度和亮度會隨著時間降低,但羅素收集與分析了各個恆星星表的視差觀測資料,同樣發現紅色的恆星可以被分為光度大、自行運動幅度小,以及光度小、自行運動幅度大的兩群,據此認為恆星的演化路徑比較接近英國天文學家洛克耶(Joseph Norman Lockyer)提出的兩階段演化說。

史瓦西正好也參加了這場學術會議,並隨即向羅素介紹赫茨普龍也有同樣的發現。不同於赫茨普龍是從業餘研究走向職業,羅素是從大學時期便在普林斯頓大學學習天文學的學院派,再加上當時赫茨普龍的論文並非刊登在天文領域的期刊上,當時會中的天文學家們根本沒人聽過赫茨普龍的名號。但在史瓦西的積極引薦下,羅素承諾會在即將發表的論文中引用赫茨普龍的早期成果,終於在1913、1914年發表的論文中,以光譜型(星色)、絕對星等(星等)作為座標軸的關係圖:赫羅圖就此誕生。

從最早的這張星色─星等關係圖中可以發現所有的白色恆星(B、A型)都比太陽還要亮,而在0.02倍太陽光度以下的暗星全是紅色恆星(K、M型),每個光譜型的光度下限與光譜型相關。紅色恆星不乏許多與A型星光度匹敵的恆星(如大角星、心宿二),同時光度上、下限是各光譜型中差異最大的,此外紅色恆星要不是明亮的巨星,就是昏暗的矮星,幾乎沒有和太陽亮度相似的恆星存在。

羅素在1913和1914年分別出版的論文中使用的星色─星等關係圖,便是第一代的赫羅圖,上頭標示約300顆恆星的資料,並以點的大小表示誤差。圖片來源:Russell, H. N. (1914)

羅素在1913和1914年分別出版的論文中使用的星色─星等關係圖,便是第一代的赫羅圖,上頭標示約300顆恆星的資料,並以點的大小表示誤差。圖片來源:Russell, H. N. (1914)

羅素在星色─星等關係圖出版之後持續收集恆星的視差、自行、光度與質量等觀測資料進行統計分析,並在1914年的第二篇論文中闡述他對於恆星演化路徑的想法。當時的主流學說認為恆星是從大且高溫向縮小且低溫方向演化(也就是從赫羅圖的左上往右下方向),但這無法解釋紅巨星的存在;此外當時也沒有觀測到從低溫氣體收縮形成高溫恆星的階段,因此羅素認為紅巨星是高溫恆星形成前階段的有力候補。不過,羅素很快地在1919年察覺到光靠收縮產生的能量不足以作為恆星的主要能源,恆星內部想必有未知的能源存在。然而要解決這個問題,還是得等到未來的物理學家們才能解答了。

參考資料:
小暮智一,〈恒星天文学の源流【9】 ハーバード天文台とHD星表の成立 その3〉,《天文教育》104号(2010年5月号),p28-34
小暮智一,〈恒星天文学の源流【10】 ハーバード天文台とHD星表の成立 その4〉,《天文教育》105号(2010年7月号),p19-27
小暮智一,〈恒星天文学の源流【14】 星の進化論とHR図表 その3 ~収縮進化説とHD図の成立~〉,《天文教育》109号(2011年3月号),p11-23
Russell, H. N.(1914), Relations Between the Spectra and Other Characteristics of the Stars., Popular Astronomy, vol. 22, pp.275-294

本文初刊於《臺北星空》116期,並收錄於原作者所有之時光土場Blogger

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隨著日本進入令和時代,日本國鐵分拆民營化已超過三十年的歲月。這段期間不少國鐵時代的路線與車輛一一退場,成為我這個平成人類未曾參與到的旅行經驗。透過一次又一次的日本旅行,我希望能在旅途中回味那些逝去的鐵道元素,抓住過去的鐵道風景。
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