走近“三体”世界的太阳

在猎户座β（参宿七）以西，蜿蜒的波江座北部，闪耀着一颗名为艾利达尼亚40的三星系统。它距离地球16.3光年，这个距离大约是天狼星距地球的两倍。这三颗恒星中最明亮的成员是一颗橙矮星，这是一颗K型主序星，与太阳一样，它在内核中将氢转化为氦。橙矮星的亮度比太阳低，因为它们的质量比较小。虽然橙矮星很常见，但它们大多数很暗弱，肉眼不可见。不过，艾利达尼亚40距地球很近，因此与一般橙矮星都不一样。

1783年1月31日，也就是第一次发现天狼星B的79年前，出生于德国的英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）将望远镜对准了艾利达尼亚40。早在两年前他曾发现了天王星。这次，他看到这颗裸眼可见的恒星有两个微弱的伴星。这对紧密而暗弱的恒星位于橙矮星艾利达尼亚40A以东约11/3角分。

超致密 | 白矮星天狼星B（7点钟位置）比地球小，但质量和太阳一样大，因此它的密度非常大，在它地表挖起一勺物质，质量能重达数吨。天狼星B的表面温度为24726.85℃（25000K），也是我们附近温度最高的恒星之一，比它每50年环绕一周的明亮伴星天狼星A还要热得多。

赫歇尔记录了伴星的间距和位置角，但后来没再观测到它们。当然，他当时并不知道艾利达尼亚40很特别，其他人也没有发现这个事实。20年后，意大利天文学家朱塞佩·皮亚齐（Giuseppe Piazzi，以发现第一颗小行星谷神星而知名）观测到这颗恒星发生了大型自行运动，这是艾利达尼亚40从恒星群中脱颖而出的第一个迹象。自行是恒星在夜空中年复一年的运动，十分明显。恒星离我们越近，穿过我们视线的速度越快，它的自行就越大。

可是当时天文学家对于除太阳以外的其他恒星距地球有多远尚不确定。一直以来，他们都在测量恒星视差，以此计算距离。地球围绕太阳旋转，我们会从各种有利位置观测恒星，所看到的景象都大不相同。天文学家以为亮度大小能说明距离远近，重点关注最亮恒星的视差效应，希望它们离我们最近。但这种假设是错的。皮亚齐发现，根据大幅度自行判断远近更靠谱一些。

不过，这位意大利天文学家还面临着一个问题。“我只用十年的观测就论断几颗恒星的自行，有些时候连十年时间都不到。大家肯定会觉得我太武断了。”他给米兰布雷拉天文台主任巴纳巴·奥里亚尼（Barnaba Oriani）的信中这样写道。于是，皮亚齐将他测量的恒星位置与17世纪和18世纪记录的恒星位置进行比较，进一步证实这些自行运动。1804年，他写下这样一段话：“我发现了一些非常值得天文学家关注的活动，尤其是鲸鱼座和波江座。”其中提到了艾利达尼亚40，怀疑它是我们最近的邻居之一。

事实上这个推测完全正确。同年，皮亚齐还发现了一颗更微弱的恒星——天鹅座61的大型自行活动。1838年，贝塞尔利用视差法成功地测量了天鹅座61的距离，除太阳之外，这是我们首次测量恒星与我们的距离，不禁让这颗恒星声名鹊起。显然，艾利达尼亚40会把自己的秘密再保留一段时间。

19世纪80年代，位于两个不同大陆的天文学家分别成功测量到艾利达尼亚40与地球的距离。其中一位是苏格兰出生的大卫·吉尔（David Gill），他在南非观测了艾利达尼亚40A，他在好望角写道：“它位于天空中最引人注目的星系之一，是非常重要的一颗恒星。”在1881年7月11日至1883年2月19日期间，他测量了这颗恒星的位置，得出了视差。

与此同时，美国海军天文台的美国天文学家阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）从一位俄罗斯天文学家那里得知了这颗恒星的重要性。俄罗斯圣彼得堡附近普尔科沃天文台的负责人奥托·威廉·冯·斯特鲁夫（Otto Wilhelm von Struve）追踪了艾利达尼亚40B和艾利达尼亚40C相互环绕的运动轨迹。

霍尔在德国杂志《天文笔记》（AstronomischeNachrichten）中写道：“有一次我去访问海军天文台，台长奥托·斯特鲁夫（Otto Struve）提醒我注意这个有趣的恒星系统，建议我测定它的年视差，由于位置关系，很难在欧洲观测到它。”1883年2月23日至1884年3月4日期间，霍尔先后30次观测到艾利达尼亚40。用同样的26英寸折射望远镜，他在1877年发现了火卫一和火卫二。他补充道：“这些观测相当乏味，耗时良久。”不过他还是成功探测到了恒星的视差。吉尔和霍尔都在1885年发表了他们的研究成果。用吉尔的视差结果推算，该恒星的位置比现代观测数据16.3光年远了约3光年，而霍尔的研究结果则表明，该恒星的位置较之近了约2光年。

河中的宝石 | 毫无疑问，业余天文学家最容易看到的白矮星是9.5星等艾利达尼亚40B，它位于4.4星等的艾利达尼亚40A东南偏东83角秒，也称为奥密克戎2（O2）艾利达尼亚。

无论采用哪种测量方式，结果都表明，艾利达尼亚40系统就在附近。这说明，恒星本身肯定也十分暗弱。尤其是9.5星等的艾利达尼亚40B和11.2星等的艾利达尼亚40C，这两颗恒星发出的光比太阳少多了，如果从相同距离观测，太阳的亮度能达到3星等。艾利达尼亚40B在将近一年的时间内发出的可见光跟太阳在24小时内发的光差不多。艾利达尼亚40C则更为暗弱。

然而，到了19世纪末，天文学家开始意识到，太阳的许多恒星邻居都是暗红色的——我们现在称之为红矮星。例如，天文学家先前发现，大熊座的红矮星拉兰德21185（7.5星等）比当时已知的除太阳和半人马座阿尔法星之外的任何恒星离我们都要近，吉尔本人在19世纪80年代测量了拉凯尔9352的视差，这颗位于南蛇座的7.3等星也是附近的红矮星。

这些暗红色恒星自身的优势似乎明显暗示了围绕天狼星运转的恒星有哪些性质。虽然大家都看不清楚它们，但毋庸置疑的是，天狼星B只是另一颗红矮星——恰好伴随着夜空中最亮的恒星。

/ 白热化的发现

通过每一次来之不易的视差测量，通过已知恒星的距离，天文学家都可以计算恒星自身的亮度。由此可以给恒星归类，利用光谱类型，现在归为M型的红星有两种。第一类能发光，比如心宿二和参宿四，但这类恒星数量较少；第二类比太阳暗淡，如拉兰德21185和拉凯尔9352，这类恒星占绝大多数。相比之下，所有的蓝色恒星和白色恒星（光谱类型B和A）都比太阳更耀眼。

哈佛大学的天文学家开发了这些光谱类型，对恒星进行分类。天文台台长爱德华·皮克林（Edward Pickering）牵头组织工作，助手负责实际完成大部分分类——尤其是威利米娜·弗莱明（Willamina Fleming）和安妮·加农（Annie Jump Cannon）两位。第一颗白矮星的发现是将光谱类型和光度这两种知识结合在一起的产物，光度通过视差测量得到。

普林斯顿大学天文学家亨利·诺里斯·罗素（Henry Norris Russell）对这项工作很感兴趣。1910年，罗素拜访皮克林，评论说，他认为大多数已测得视差的恒星都没有明确其光谱类型。皮克林让他举个例子，罗素就提到了艾利达尼亚40B。如果这颗暗弱的恒星是红矮星，那么它就应该属于M型星。

皮克林回答道：“嗯，我们应该能回答这类问题。”罗素回忆道：……我们打电话到弗莱明夫人的办公室，弗莱明夫人说：“好”，她去查一下。半个小时后，她走过来说：“我在这里找到了，毫无疑问它是A型星。”虽然那时候对这类恒星了解还不够多，我也知道这意味着什么。我大吃一惊，困惑不已，想搞清楚到底是怎么一回事。皮克林想了一会儿，和蔼地笑着说：“没关系。正是这些我们无法解释的事情才能促进知识的进步。”没错，在那一刻，皮克林、弗莱明夫人和我是世界上唯一知道白矮星存在的人。

三颗恒星 | 对于业余天文学家来说，艾利达尼亚40是一个十分引人瞩目的三星系统。艾利达尼亚40A和艾利达尼亚40B-C这对恒星的间距为82.7角秒，而艾利达尼亚40B和艾利达尼亚40C之间的距离为7.8角秒。

然而，在发现艾利达尼亚40B的白矮星状态40年后，罗素在普林斯顿大学的一次座谈会上也给出了这一说法。起初，他对此十分质疑。1913年6月13日，他在英国皇家天文学会发表演讲，展示了我们如今所说的赫罗图——罗素和欧洲天文学家埃杰纳·赫茨普龙（EjnarHertzsprung）独立构想出的恒星光度和光谱类型图。

罗素指出赫罗图上一块几乎空白的区域（现在我们知道那里应该有暗弱的蓝色恒星和白色恒星），他说的其实是艾利达尼亚40B，但那时还没有真正给它命名：“显然，图上空了一角（除了一颗光谱非常可疑的恒星）。这块似乎再没有别的暗弱的白色恒星了。”罗素无法否认艾利达尼亚40B光度很低，因为它的视星等和距离都已知了，但他确实质疑它不该是颗A型星。

早期线索 | 亨利·诺里斯·罗素的原始赫罗图展示了主序星（从左上到右下的对角线带）序列，右上是巨星，左下角是一颗孤独的恒星——第一颗白矮星，艾利达尼亚40B（如图所示），它具有两种看似不兼容的性质：高温度和低光度。

罗素知道这颗恒星的光谱类型会深深影响我们对其真实性质的认识。首先，光谱类型说明这颗暗弱恒星比我们的G型星太阳更热，也就是说艾利达尼亚40B表面的每平方米都比太阳表面每平方米所发出的光更多。但如果它真的那么暗弱，怎么可能发出那么多光呢？答案是：艾利达尼亚40B的表面积必须特别小。换句话说，这颗恒星很小。1914年，加利福尼亚州威尔逊山天文台的沃尔特·亚当斯（Walter Adams）观测到了这颗恒星，证实它的光谱类型确实是A型星。

第二年，亚当斯瞄准了一个更难观测的目标：天狼星B，即围绕天狼星A运行的假定红矮星。1915年10月18日，“在异常良好的观测条件下”，亚当斯成功地获得了这颗暗弱恒星的光谱。“红”矮星的光谱类型根本不是M型星；相反，它是与天狼星本身一样的A型星。与艾利达尼亚40B一样，天狼星B很热，反过来说明它每平方米表面积都发出大量的光。但由于这颗恒星太暗了，它体积肯定很小。由此引发了另一个革命性的发现：天狼星B非常致密。天文学家已经在它十分明亮的伴星上用过引力拖曳了，发现它的质量只有天狼星A的一半。将天狼星B的质量除以它极小的体积，会得到一颗密度极高的恒星。

不过，有些天文学家对这一结果提出质疑。他们认为来自天狼星A的光线污染了这颗较暗恒星的光谱。但亚当斯指出，另一颗广为人知的暗弱A型星也是这样：艾利达尼亚40B。

很快，小分队里又来了一个成员。1917年9月，威尔逊山天文台的天文学家阿德里安·范·玛宁（Adrian van Maanen）在寻找双鱼座中一颗名为拉朗德1299号星的伴星时，发现这颗恒星的自行相当大。他注意到，照相底片上有一颗与观测目标不相关的暗星，自行更大。如今这颗恒星被命名为范玛宁星，它是距离地球最近的一颗孤独的白矮星，距离地球仅14光年。

1921年10月，利克天文台的弗雷德里克·伦纳德（Frederick Leonard）鉴定，艾利达尼亚40C的光谱类型属于M型。因此，艾利达尼亚40系统是由一颗橙矮星、一颗白矮星和一颗红矮星组成的。

全家福 | 三颗恒星组成了艾利达尼亚40系统，它们都比太阳更暗、更小：艾利达尼亚40A，橙矮星（位于图片前景）；艾利达尼亚40B，白矮星，温度非常高，呈现蓝色； 以及艾利达尼亚40C，红矮星，银河系中最常见的恒星。艾利达尼亚40B这颗白矮星只比地球直径大43%。

赫茨普龙发现，我们附近有三颗暗弱的白色恒星（艾利达尼亚40B、天狼星B和范玛宁星）。尽管它们性质各异，但从统计结果上看，这类恒星一定很常见。1922年，他在《荷兰天文研究所公报》上发表了一篇文章，文中写道，“每单位体积空间内，绝对暗弱的白色恒星似乎比绝对明亮的黄色恒星（他指的是大角星这样的巨星）更常见”。

即使有了三个例子，这类恒星仍然没有名字。直到1922年末，威廉·雅各布·卢伊滕（Willem Jacob Luyten）创造了“白矮星”一词，事态才迎来了改变。1921年，卢伊滕师从赫茨普龙，获得了博士学位。尽管卢伊滕后来又发现了许多白矮星，但数量增长得太慢了，直到1940年，《天空》杂志（《天空与望远镜》杂志的前身）中所发布的已知白矮星也只有25颗而已。

——本文节选自《中国国家天文》1月刊

作者简介 /

肯·克罗斯威尔（Ken Croswell）在哈佛大学获得博士学位，他的研究兴趣是我们附近的恒星，著有《天堂的炼金术》（The Alchemy of the Heavens）和《壮丽的宇宙》（Magnificent Universe）。

译者简介 /

刘晗，对外经济贸易大学英语学院讲师；北京外国语大学翻译学博士，北京师范大学翻译学硕士、天文学学士；合译有《“哈勃”的宇宙》《冥王星沉浮记》等书。

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来源：中国国家天文

编辑：TT