船尾座RS星的華麗光影秀

• 撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]

本系列其它文章：

天有多大？宇宙中的距離（1）—從地球到太陽
天有多大？宇宙中的距離（2）—從太陽到鄰近恆星
天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」
天有多大？宇宙中的距離（4）—造父變星

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參考資料：

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

天文學家利用哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）在2010年對船尾座RS（RS Puppis）這顆變星進行為期5週的持續觀測，觀測成果清楚地顯現了這顆天體的亮度因脈動而變亮和變暗的過程，周圍環境中的塵埃氣體也因反射恆星的光而形成所謂的迴光（light echo），也因脈動現象而出現如同水波紋一樣奇特的景緻。

恆星的一生中，其實絕大部分時間都處在非常穩定的狀態，經由核心氫核融合反應而持續發出光亮。然而，一旦核心的氫絕大部分用於核融合反應而轉換成氦之後，恆星開始變得不穩定，體積會在數天到數星期內膨脹收縮（即所謂的「脈動（pulsation）」，恆星的亮度也隨體積脈動而有明暗變化，成為一顆變星。哈柏觀測顯示這顆船尾座RS屬於脈動變星中變光週期較長的「造父變星（Cepheid variable）」，約在40天內，亮度變化將近5倍左右。

船尾座RS星的質量略大於10倍太陽質量，使其本質亮度比太陽還亮15000倍左右，距離地球約6500光年。這顆造父變星特別之處在於它周圍有由氣體塵埃組成的濃厚暗星雲環繞。在哈柏為期5週的觀測影像中，展現出這顆變星處在不同變光階段的樣貌，這可從天文學家製作的影片中可見一斑。影片中最吸引這些天文學家的並不是恆星本身，而是周遭星雲迴光的清晰變化。當船尾座RS膨脹而變亮，將迴光可達範圍推得更遠，造成氣體似乎向外移動的假象。

除了看來讓人印象深刻的迴光效應之外，天文學家們觀察像船尾RS這樣的造父變星是有非常重要的科學目的的。造父變星的脈動週期，和它們的本質亮度有直接關聯，可讓天文學家藉由這樣的關聯性來估算它們的精確距離，因而被視為宇宙量天尺之一。有天文學家在數年前利用船帆RS的迴光測量它的距離，所得結果是所有造父變星距離測量中最精確的。因此，天文學家希望經由研究像船帆RS這樣有迴光效應的造父變星，測量並瞭解大尺度的宇宙精確樣貌。

資料來源：RS Puppis puts on a spectacular light show. HubbleESA [December 17, 2014]

轉載自網路天文館

宇宙有多大？在望遠鏡發明之前，古人所能想像的宇宙就是太陽系。隨著望遠鏡的性能越來越強，人們才發現更多肉眼看不見的星星，也才發覺這些天體其實距離我們非常遙遠。然而即使到了二十世紀初，人們所持的仍是封閉的宇宙觀，只是規模擴大了些。當時普遍認為我們太陽系被天空所有的恆星和星雲包圍著，而這些天體全都屬於同一個星系──也就是銀河系。銀河系就是整個可觀測宇宙，在這之外一無所有。

因此，雖然早從十七世紀開始，就陸續有許多天文學家注意到仙女座星系 (Andromeda Galaxy) 類似氣體的雲霧，甚至拍到清晰的螺旋結構，大家仍以為它只是銀河系中一個正在形成類似太陽系的星雲，只有少數天文學家懷疑它是位於銀河系外的星系。

1924年的今天，美國天文學會在華盛頓特區召開一連三天的研討會。天文學家哈伯並未出席，但是最後一天有同事代他朗讀了一篇論文，正式宣告仙女座星系不在銀河系內，而是距離遙遠的另一個類似銀河系的星系。人類才終於開始了解我們所在的銀河系只是浩瀚宇宙中的一個小島，也就是所謂的「島宇宙」。

哈伯掌握到的關鍵證據在於仙女座星系中的一顆造父變星 (Cepheid) 。造父變星的亮度會週期性地改變，奇妙的是，越亮的變星，其亮度變化的週期越長。因此兩顆閃爍頻率一樣的造父變星，它們的絕對星等也應該相同；如果其中一顆看起來的亮度是另一顆的四倍，那麼按照平方比定律，較暗的那一顆的距離就是較亮那一顆的兩倍。哈伯就是因此估算出仙女座星系距離我們一百萬光年（目前的估計值是250萬光年）。

造父變星的亮度與變化週期之間的關係是勒維特 (Henrietta Leavitt, 1868－1921) 於1912年發現的。當時女性仍不被允許操作天文望遠鏡，頂多只能擔任計算員，負責繁複的計算工作。勒維特大學畢業後，自1893年起在哈佛大學的天文台工作，日復一日地檢視一大堆感光底片，記錄各種天體的亮度變化。也因為近二十年，幾萬小時的投入，她才能在那尚無電腦的年代，在大、小麥哲倫星雲的造父變星中發現這個規律。因為勒維特這個重大發現，哈伯才能確認仙女座星系的距離，也因此才徹底改變了人類對宇宙的認知。

1924年，瑞典科學院想提名她角逐諾貝爾獎，才得知她已罹癌身亡，永遠來不及授予她應有的榮耀了。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

卡內基科學研究所天文臺（Observatories of the Carnegie Institution for Science）天文學家Wendy Freedman等人對外公告：他們利用史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）觀測資料，獲得迄今最精確的哈柏常數（Hubble constant），也就是宇宙膨脹的速率，為每秒、每百萬秒差距74.3公里（寫為74.3km/sec/Mpc）。

哈柏常數首度由著名天文學家愛德溫‧哈柏（Edwin P. Hubble）於1920年代在確認宇宙自137億年前大霹靂後便向外膨脹後提出的。1990年代後期，天文學家發現宇宙膨脹速度隨著時間增加。確認膨脹速率，是瞭解宇宙年齡和大小的關鍵要素。

史匹哲測量了我們銀河系中10個造父變星，還有鄰近的大麥哲倫星系（arge Magellanic Cloud，LMC）中的80顆造父變星的視亮度，並由此計算它們的距離。與哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescop）是用可見光和短波紅外光（或稱近紅外光）觀察宇宙不同，史匹哲太空望遠鏡是以長波紅外光（遠紅外光）進行測量，最後得出哈柏常數為每 秒、每百萬秒差距74.3公里。其中，1百萬秒差距（megaparse，Mpc）約相當於300萬光年。這個測量結果，與去年利用超新星研究所得哈柏常 數相符，且至少比2001年利用哈柏太空望遠鏡資料、以和這次類似的分析方式所得的結果還好1/3～1/2以上。

此外，這些哈柏常數的測量，結合先前利用威金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）公布的資料，可以獨立測量暗能量這種宇宙最神秘的組成之一。一般認為暗能量可抵抗重力，促使宇宙向外膨脹。基於這項研究而獲得宇宙 加速膨脹結論的研究學者們，甚至獲得2011年諾貝爾物理獎的榮耀。這是個龐大的謎團。利用史匹哲太空望遠鏡，可以測量精確的現階段宇宙膨脹速率，也可以 從另一個角度來測量宇宙中的暗能量含量。

由於史匹哲可以用遠紅外波段進行觀測，避開塵埃的阻擋，因此可以更精確的監測造父變星（cepheid）的動態，並由此測量哈柏常數。造父變星是所謂 的脈動變星（pulsating star），因體積漲縮而使亮度改變，且距離愈遠者、造父變星的本質亮度愈亮、變光週期愈長。1908年，Henrietta Leavitt發現造父變星這種特性，讓造父變星成為天文學家的量天尺之一，使天文學家可以直接測量這些天體的距離。一旦知道這些天體的距離，便可計算它 們遠離我們的速度，宇宙膨脹速率因此而被揭露。

史匹哲太空望遠鏡所做的貢獻已超過原本預計要做的還多很多，不但有能力可以研究系外行星大氣層，現在，在史匹哲任務的最後一年，它甚至跨足成為研究與 宇宙論的利器。雖然看起來史匹哲的哈柏常數資料只比哈柏好了1/3～1/2，所提升的精確度只有一點點，但無可否認地，就一個原本不是做此用途的太空望遠 鏡而言，它所達成的成就確實非凡。

資料來源：NASA’s Infrared Observatory Measures Expansion of Universe. NASA JPL [October 03, 2012]

轉載自 網路天文館