在北方的星空中，最引人注意的恒星，除了北極星以外，就要算大熊星座中排成斗形的七顆亮星，也就是赫赫有名的“北斗七星”。這七顆星按現(xiàn)代國(guó)際統(tǒng)一命名，從頭到尾依次叫做大熊座α、β、γ、δ、ε、ζ、和η，在中國(guó)則分別稱(chēng)之為天樞（北斗一）、天璇（北斗二）、天璣（北斗三）、天權(quán)（北斗四）、玉衡（北斗五）、開(kāi)陽(yáng)（北斗六）、和搖光（北斗七）。北斗七星中的前四顆星，即天樞、天璇、天璣和天權(quán)構(gòu)成斗身，故名“斗魁”（“魁”的本義就是盛菜湯的大勺），或稱(chēng)“魁星”，又名“璇璣”；而玉衡、開(kāi)陽(yáng)和搖光三星則組成斗柄（即斗杓），有時(shí)將這三顆星也統(tǒng)稱(chēng)“玉衡”。 從北斗七星的命名，足以看出人們對(duì)它們的重視程度。國(guó)際上，別的恒星都按其亮度大小用希臘字母依次命名，并冠以所在星座的名稱(chēng)，唯獨(dú)大熊座的七個(gè)星是按從頭到尾的次序命名；在中國(guó)，它們不但各有專(zhuān)名，而且還分組命名。人們之所以重視它，是因?yàn)殡S著北斗七星的視運(yùn)動(dòng)，斗柄既可以指示方向，也可以表征季節(jié)。在一日之內(nèi)，北斗七星按逆時(shí)針?lè)较蚶@著北天極旋轉(zhuǎn)一周，于是北斗的斗柄也隨著時(shí)間的推移指向不同的方向；在一年內(nèi)，不同季節(jié)的傍晚，北斗斗柄的指向也在不斷發(fā)生變化，按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一周。這就是《鹖冠子》一書(shū)所說(shuō)的：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬?！敝劣诒倍窞槭裁磿?huì)有這樣的“功能”，古人是不知所以然的。直到十六世紀(jì)哥白尼提出“日心地動(dòng)說(shuō)”才得到科學(xué)的解釋。原來(lái)北斗七星的“周日視運(yùn)動(dòng)”和“周年視運(yùn)動(dòng)”，分別是地球自轉(zhuǎn)和它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的結(jié)果，地球在不斷運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，地軸總是指向北天極和南天極，這就使人們看來(lái)各地恒顯圈以?xún)?nèi)的恒星總是繞著天極旋轉(zhuǎn)。 但是，對(duì)于北斗七星的真相，即物理狀況和化學(xué)組成，卻是隨著現(xiàn)代天文學(xué)和天體物理學(xué)的發(fā)展才被人們所認(rèn)識(shí)。 （一）北斗七星的距離 北斗七星雖然被人們劃入同一星座，但它們的距離各不相同?，F(xiàn)將北斗七星的赤道坐標(biāo)其它有關(guān)參數(shù)羅列于下： 北斗一：赤經(jīng)165°30′，赤緯＋61°54′，周年視差0.026″，距離124±2光年，目視星等為＋1.79. 北斗二：赤經(jīng)165°00′，赤緯＋56°32′，周年視差0.041″，距離79.4±1.1光年，目視星等為＋2.4等。 北斗三：赤經(jīng)178°00′，赤緯＋53°51′，周年視差0.039″，距離83.7±1.4光年，目視星等為＋2.5. 北斗四：赤經(jīng)183°30′，赤緯＋57°12′，周年視差0.039－0.041″，距離81.4±1.2光年，目視星等為3.4. 北斗五：赤經(jīng)193°15′，赤緯＋56°07′，周年視差0.040－0.041″，距離80.9±1.2光年，目視星等為＋2.0. 北斗六：赤經(jīng)200°45′，赤緯＋55°05′，周年視差0.042″，距離78.2±1.1光年，目視星等為＋2.4. 北斗七：赤經(jīng)206°30′，赤緯＋49°27′，周年視差0.02″，距離101±2光年，目視星等為＋1.86等。 上面列出了各星的“周年視差”。測(cè)知這個(gè)數(shù)值，代入公式r＝3.26／π″就可以算出其距離r是多少光年，比光年更大的距離單位是“秒差距”，1秒差距等于3.26光年，所以，若以秒差距為單位，則恒星距離恰為周年視差的倒數(shù)。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，北斗七星距我們的距離差異很大，近的接近80光年，遠(yuǎn)的在120光年以外。這證明它們不是一個(gè)“群體”。又，已知“北斗”中每個(gè)星的赤經(jīng)和赤緯，就可以直接用球面三角法求得每?jī)蓚€(gè)星之間的角距離，也就是兩個(gè)星星在觀測(cè)者眼中的張角。知道了這個(gè)張角，又知道各星距我們的距離是多少光年，根據(jù)平面三角的余弦定理就能求得兩星之間的線(xiàn)距離是多少光年。所謂“距我們”的距離，對(duì)于恒星而言，既指離太陽(yáng)的距離，也指離地球的距離，兩者是一回事。因?yàn)槿盏鼐嚯x雖然長(zhǎng)達(dá)一億五千萬(wàn)千米，但用“光年”來(lái)衡量，卻只有0.0000158光年，完全可以略去不計(jì)。從遙遠(yuǎn)的恒星上看太陽(yáng)和地球，那么二者的角距將會(huì)小到一角秒以下。例如，上文給出“北斗一”的周年視差值等于0.026角秒，這就意味著，在“北斗一”這個(gè)恒星上看來(lái)，太陽(yáng)和地球之間的角距只不過(guò)0.026角秒而已?？梢?jiàn)星際空間是多么浩瀚！ 前面已給出了北斗七星的周年視差和距離的數(shù)據(jù)。再用三角方法加以計(jì)算，可知北斗七星之間的角距離和線(xiàn)距離大致如下： 北斗一至北斗二：角距5°24′，線(xiàn)距45.6光年。 北斗二至北斗三：角距7°51′，線(xiàn)距12.0光年。 北斗三至北斗四：角距4°32′，線(xiàn)距6.9光年。 北斗四至北斗五：角距5°27′，線(xiàn)距7.7光年。 北斗五至北斗六：角距4°22′，線(xiàn)距6.6光年。 北斗六至北斗七：角距6°38′，線(xiàn)距25光年。 以上所列的每?jī)尚侵g的線(xiàn)距離，也就是它們之間的真距離，遠(yuǎn)的達(dá)45光年，而近的不到7光年，但它們的“角距”則相差不大。這就再次證明了七顆亮星排列成“斗”形乃是投影關(guān)系所致。這些距離數(shù)據(jù)之所以說(shuō)是“大致”，是因?yàn)榘ū倍菲咝窃趦?nèi)的所有恒星都在空間運(yùn)動(dòng)著。恒星在宇宙間相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可以分解為“視向”和“切向”兩個(gè)分量。前者表明恒星是遠(yuǎn)離太陽(yáng)還是走近太陽(yáng)；后者表現(xiàn)為恒星的“自行”，看它每年在天球上移動(dòng)了多少角秒。既然所有恒星都有“視向運(yùn)動(dòng)”和“自行”，那么今天的星表上所給出的“坐標(biāo)”、“視差”（距離）、“目視星等”等項(xiàng)目就不會(huì)是固定的，每過(guò)一定時(shí)期就要重測(cè)和計(jì)算。所以，我們現(xiàn)在看到的“北斗”不會(huì)永遠(yuǎn)是“斗”形，十萬(wàn)年之后的星空中將不再有“北斗”了。 為了便于交代，前文只列出“北斗”中的七顆星。實(shí)際上，“北斗一”（天樞）和“北斗五”（玉衡）都是雙星，而“北斗六”（開(kāi)陽(yáng)）則是包含七顆星的“聚星”系統(tǒng)。“開(kāi)陽(yáng)”的兩個(gè)子星分別稱(chēng)開(kāi)陽(yáng)A和開(kāi)陽(yáng)B，其中開(kāi)陽(yáng)A也是雙星，而開(kāi)陽(yáng)B則是一個(gè)“三合星”。此外，開(kāi)陽(yáng)近旁還有一個(gè)微弱得多的星，中國(guó)古代叫它為“輔”星。其“目視星等”為4等，距離太陽(yáng)81.15光年。這個(gè)“輔”星也是一個(gè)雙星。合起來(lái)說(shuō)，僅“北斗六”就包括七個(gè)星。在雙星系統(tǒng)中，大而亮的叫“主星”，小而暗的叫“伴星”。上面所列的雙星星名都是指主星。 （二）北斗七星的星等與光度 前文還列出了北斗七星的“目視星等”?！靶堑取笔潜碚骱阈橇炼鹊囊粋€(gè)量。古希臘天文學(xué)家早就把肉眼可見(jiàn)的恒星按亮度分成六等，最亮的一些星稱(chēng)為1等星，肉眼剛能看出的星為6等星，其它的星的“星等”按視亮度內(nèi)插。星越亮，星等越小。后人沿用了這套星等系統(tǒng)，到十九世紀(jì)，經(jīng)過(guò)儀器的檢驗(yàn)加以精密化。規(guī)定：星等相差5等，亮度相差100倍。因此可以知道，星等每差1等，亮度相差2.512倍。也就是說(shuō)，1等星的亮度是2等星的2.512倍，2等星的亮度是3等星的2.512倍……望遠(yuǎn)鏡和照相術(shù)發(fā)明后，星等擴(kuò)展到更暗的星。在經(jīng)過(guò)精密化的星等系統(tǒng)中，有的亮星比1等星更亮，于是星等便向零等和負(fù)的星等擴(kuò)充。例如全天最亮的恒星—天狼星的星等是－1.45，太陽(yáng)的星等是－26.74等。 由于恒星的距離有遠(yuǎn)有近，所以“目視星等”并不能表示恒星的真亮度，必須設(shè)想把恒星統(tǒng)統(tǒng)“移到”相同的距離處，才能對(duì)恒星的真亮度比出個(gè)高低來(lái)。天文學(xué)上比較恒星真亮度的標(biāo)準(zhǔn)距離規(guī)定為10個(gè)“秒差距”，即32.6光年。一顆星“移到”32.6光年處具有的視星等叫做“絕對(duì)星等”。由于消除了距離遠(yuǎn)近的因素，絕對(duì)星等僅僅同恒星的“光度”（即恒星每秒鐘發(fā)出的總輻射能）相聯(lián)系。絕對(duì)星等M與目視星等m具有以下的關(guān)系： M＝m＋5－5lgr, 或M＝m＋5＋5lgπ″. 上式中，恒星的距離r的單位是“秒差距”，若改以“光年”為單位，則公式為： M＝m＋7.6－5lgr. 根據(jù)上面的式子，知道了某一恒星的“目視星等”，又知道它的距離或周年視差，就很容易算出它的絕對(duì)星等。例如，太陽(yáng)距離r＝0.00000485秒差距，由上式算出絕對(duì)星等為＋4.83，就是說(shuō)若把太陽(yáng)“移到”32.6光年處，它將是一顆肉眼尚能看到的暗星。太陽(yáng)的光度，以每秒鐘發(fā)出的總輻射能來(lái)表示，等于383億億億焦耳，實(shí)質(zhì)上就是太陽(yáng)的輸出功率（383億億億瓦）。天文上常以太陽(yáng)的光度作為衡量恒星光度的單位。如果知道一顆恒星的絕對(duì)星等，它的光度等于太陽(yáng)光度的多少倍就可以從星等的定義計(jì)算出來(lái)。若以L表示恒星的光度，直接計(jì)算恒星光度的公式可以寫(xiě)為： lgL＝－0.4(M－4.83). 現(xiàn)將按照以上各式算出的北斗七星的絕對(duì)星等和光度列舉如下： 北斗一：絕對(duì)星等為－1.12，光度＝235.5×太陽(yáng)光度。 北斗二：絕對(duì)星等為＋0.48，光度＝53.95×太陽(yáng)光度。 北斗三：絕對(duì)星等為＋0.49，光度＝50.58×太陽(yáng)光度。 北斗四：絕對(duì)星等為＋1.44，光度＝22.49×太陽(yáng)光度。 北斗五：絕對(duì)星等為＋0.06，光度＝80.9×太陽(yáng)光度。 北斗六：絕對(duì)星等為＋0.53，光度＝52.29×太陽(yáng)光度。 北斗七：絕對(duì)星等為－0.58，光度＝143.2×太陽(yáng)光度。 （三）北斗七星的溫度與大小 1、溫度 星光隱藏著恒星向外傾訴自己“身世”的密碼。十九世紀(jì)天體分光術(shù)（光譜分析）的問(wèn)世是天文學(xué)的一次大飛躍。通過(guò)光譜分析，人們不僅知道了恒星的化學(xué)組成，而且進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到恒星的物理狀況：（1）大多數(shù)恒星的化學(xué)組成同太陽(yáng)的差不多。最豐富的元素是氫，其次是氦，二者占99﹪，然后是其他較重的元素。（2）組成恒星的物質(zhì)形態(tài)不是分子，而是處于高溫高壓下的等離子體，即物質(zhì)的第四態(tài)。在上千萬(wàn)度的高溫下，原子失去了全部或大部分的核外電子而呈電離狀態(tài)。最簡(jiǎn)單也是最豐富的氫原子，赤裸裸地只剩下它的原子核，即質(zhì)子。（3）粒子的熱運(yùn)動(dòng)速度極大，相互碰撞而發(fā)生熱核反應(yīng)。即四個(gè)氫核聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核（對(duì)于老年恒星則是三個(gè)氦核聚變?yōu)橐粋€(gè)碳核），同時(shí)釋放出巨大的能量，以各種電磁波（包括可見(jiàn)光）的形式輻射到宇宙空間。（4）天文學(xué)家根據(jù)不同溫度和壓力下原子的電離狀態(tài)，將恒星的光譜分成O、B、A、F、G、K、M等幾個(gè)類(lèi)型，而光譜序列與溫度的高低有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)，顏色相同的恒星，其光譜大致相同。這就為認(rèn)識(shí)恒星的溫度提供了依據(jù)。具體說(shuō)來(lái)，光譜為O型的呈藍(lán)色，表面溫度為40000至25000度（指絕對(duì)溫標(biāo)，下同）；B型星呈藍(lán)白色，表面溫度為25000至12000度；A型星呈白色，表面溫度為11500至7700度；F型星呈黃白色，表面溫度為7600至6100度；G型星呈黃色，表面溫度為6000至5000度；K型星呈橙色，表面溫度為4900至3700度；M型星呈紅色，表面溫度為3600至2600度。 更仔細(xì)的研究，是將每一光譜型又分為十個(gè)次型，用數(shù)字0、1、2、3、……表示。如B0是B型的典型，B5介于B型和A型之間。又進(jìn)一步將每一光譜次型再細(xì)分為六個(gè)“光度型”，以羅馬數(shù)字表示為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，放在光譜型符號(hào)之后。各個(gè)次型的溫度可按上文中提供的數(shù)據(jù)內(nèi)插。太陽(yáng)的光譜是G2Ⅴ型，這與它的表面溫度5800度正好對(duì)應(yīng)。同理，根據(jù)已知的北斗七星的光譜型，不難推知它們的表面溫度?！氨倍芬弧睂?/span>K0Ⅲ型，“北斗二”、“北斗三”至“北斗六”都屬A0型光譜，而“北斗七”則是B3Ⅴ型光譜。因此可知“北斗一”的表面溫度為4900度，比太陽(yáng)還低；“北斗七”的表面溫度為22000度，在七星中是最高的，其它的都在12000——11000度之間。 2、北斗七星的大小 “北斗一”的光度是太陽(yáng)的235倍，而它的表面溫度卻比太陽(yáng)還低，這說(shuō)明它的表面面積大。物理上有一條定律，在光度穩(wěn)定的前提下，恒星表面面積與它的表面溫度的四次方成反比。這就是斯忒番——波爾茲曼定律。根據(jù)這一定律，知道了“北斗七星”的光度，又知道它們各自的表面溫度，那么每顆星的表面面積和半徑就不難求得。 北斗的各個(gè)星球的半徑R如下所示（北斗六這個(gè)聚星系統(tǒng)除外）： 北斗一（主星）：R＝1481萬(wàn)千米。北斗二：R＝118.2萬(wàn)千米。 北斗三：R＝114.4萬(wàn)千米。北斗四：R＝76.3萬(wàn)千米。 北斗五（主星）：R＝144.7萬(wàn)千米。北斗七：R＝57.2萬(wàn)千米。 將上列數(shù)據(jù)跟太陽(yáng)相比，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題。我們知道，太陽(yáng)的半徑是69.6萬(wàn)千米；上面列出的“北斗四”的半徑為76.3萬(wàn)千米，比太陽(yáng)大不了多少，但“北斗四”的光度卻是太陽(yáng)光度的22.49倍；“北斗七”的半徑只有57.2萬(wàn)千米，比太陽(yáng)還小，但它的光度卻是太陽(yáng)光度的143倍。也就是說(shuō)恒星的大小與它的光度之間不存在簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。事實(shí)確是如此，這是由恒星的質(zhì)量和演化階段所決定的。 原來(lái)所有的恒星都跟其它天體一樣，有一個(gè)從生到死的演化過(guò)程。恒星的“一生”要經(jīng)歷原恒星、主序星、紅巨星、晚期恒星幾個(gè)階段。晚期恒星按其質(zhì)量的大小走向不同的歸宿。質(zhì)量小的最終演化為白矮星，質(zhì)量大的要經(jīng)過(guò)脈動(dòng)或爆發(fā)階段演化為“中子星”或“黑洞”。它們的殘骸彌漫于宇宙空間，轉(zhuǎn)化為下一代恒星的原料。“地球人”看到的北斗,除“北斗一”之外，其余幾個(gè)和太陽(yáng)都是處于不同“年齡段”的“主序星”（它們?cè)凇昂樟_圖”上位于“主星序”，故名“主序星”）。“主序星”是恒星一生中的鼎盛年華，恒星處于這一階段的時(shí)間最長(zhǎng)，可達(dá)一千萬(wàn)年到幾百億年之久。但同是“主序星”，卻也有青年、壯年、中年之分，因質(zhì)量大小不同而光度不同。根據(jù)愛(ài)丁頓的研究，質(zhì)量大的恒星為了使輻射壓力與引力相平衡，內(nèi)部的溫度必然很高，熱核反應(yīng)必然很快，因而光度大；質(zhì)量小者反之。這個(gè)規(guī)律可以表述為：恒星的光度與它的質(zhì)量的三點(diǎn)五次方成正比。這叫“質(zhì)光關(guān)系”或“質(zhì)量光度定理”。也正因?yàn)橘|(zhì)量大的恒星光度大，故物質(zhì)消耗快，其處于“主星序”的時(shí)間相對(duì)較短，也就是說(shuō)容易“變老”。隨著核能的消耗，恒星中心部分的核反應(yīng)迅速向外轉(zhuǎn)移，推動(dòng)外層膨脹，使恒星體積很快增大，表面溫度降低，變成又大又紅的紅巨星，于是恒星從中年走向晚期。 目前我們的太陽(yáng)是光譜型為G2ⅴ的黃星，它進(jìn)入“主序星”階段已經(jīng)50億年?！氨倍贰敝械牧鶄€(gè)主序星，其中“北斗二”到“北斗六”這五個(gè)星的“年齡段”基本相同，都是早A型的主序星，而“北斗七”則是光譜型為B3v的早型主序星，其“年齡”比上述五星還小。由“質(zhì)光關(guān)系”可估算出這六個(gè)星的質(zhì)量都在太陽(yáng)的二至四倍之間。由主序星質(zhì)量序列可知它們都比太陽(yáng)“年輕”，既然質(zhì)量大，即使體積不是太大，其光度可達(dá)太陽(yáng)的幾十倍乃至上百倍。唯獨(dú)“北斗一”與眾不同。它是光譜型為K0Ⅲ的紅巨星，雖然光度強(qiáng)到太陽(yáng)的235倍，但因半徑是太陽(yáng)的20多倍，表面面積是太陽(yáng)的400多倍，體積是太陽(yáng)的8000多倍，呈“虛胖”狀態(tài)，所以表面溫度低于太陽(yáng)，顏色泛紅。從演化進(jìn)程看，它既然是紅巨星，當(dāng)然比太陽(yáng)“年長(zhǎng)”，更比北斗中的其它六個(gè)星“年老”。如果要把北斗七星按“年齡”排行的話(huà)，那么號(hào)稱(chēng)“天樞”的“北斗第一星”就是名副其實(shí)的“老兄”，而“北斗七”（搖光）則是“小弟”。 ﹡ ﹡ 總之，所謂“北斗七星”，實(shí)際上是四個(gè)單星、兩對(duì)雙星和一組聚星。在廣袤的宇宙間，各類(lèi)恒星、星云、星團(tuán)難以數(shù)計(jì)。其化學(xué)構(gòu)成差異不大，但物理狀態(tài)千差萬(wàn)別。人類(lèi)對(duì)它們的認(rèn)識(shí)不會(huì)完結(jié)。不斷地揭示宇宙的奧秘，正是天文學(xué)具有永恒魅力的原因所在。 2014年1月28日 | 
