什么是长周期造父变星?

长周期造父变星变星的一种,一般指的是经典造父变星,在之前的文章中,我们介绍了造父和造父变星,从中我们知道造父变星是一类特性类似于造父一的变星。

我们都知道恒星之所以命名为“恒”星,代表的意思是一个是在古人眼中,恒星的位置是固定不动的,另外一个是值得恒星的亮度也几乎不变的,是恒定的。

就比如我们太阳,光度的变化非常小,太阳每百万年光度仅增加0.02%,几乎可以说是恒定不动的。但是在宇宙中,变星的光度却并不是固定的,一些巨星或者是超巨星的亮度会定期增加或减少,光度波动的周期(即恒星亮度峰值之间的时间)可以从几小时到几年不等。

造父变星的亮度会周期性变化
造父变星的亮度会周期性变化

变星的类型也很多,其中最经典就是造父变星和天琴RR型变星,造父变星得名的造父一这颗恒星,是最典型的造父变星,也是最靠近太阳的变星之一。

造父一的变光周期大约是5.37天,造父一的视觉亮度从3.5等到4.4等。另外我们所熟知的北极星也是属于造父变星。

造父变星和天琴RR型变星的物理特性

造父变星的特性:

变光周期:2~60天;
平均温度:6000K;
平均光度:300~40000倍太阳亮度

造父变星的光度波动范围千差万别,有一些变化很大,比如造父一,还有一些波动范围太小以至于用肉眼无法分辨出来。

天琴RR型变星的特性:

变光周期:4小时~1天;
平均温度:7000K;
平均光度:约80倍太阳亮度。

由此可见,天琴RR型变星比造父变星拥有更短的变光周期和更低的光度。

为什么造父变星的光度会定期变化

变星光度的变化主要是由于它们直径的变化造成的。比如造父变星的半径变化可以多大10%~20%。

PS:请记住,像造父变星或天琴RR型变星这样的巨星或超巨星都拥有一个小而致密的核心,还有一个大而密度较低的外部包层,这层包层会定期膨胀和收缩,而变星核心大小是不变的,会一直以稳定的速率来产生能量。

造父变星亮度变化记录
造父变星亮度变化记录

正是因为变星包层的膨胀和收缩才知道变星半径的变化,这其中可以让变星表面温度的变化超过1000K。

那么为什么变星会产生光度变化呢?

这是一个很复杂的问题,但是我们也可以使用更简单的介绍,这主要涉及到恒星包层中的电离氦层的特性。

当造父变星半径变小,它的包层物质就会被压缩,变得更加不透明;
因为更加不透明,所以恒星核心产生的光子就有更多的被困在包层中,并持续加热气体增加其内部压力;
更加炽热的气体和更高的压力会导致外部包层气体物质膨胀,变得透明;
透明的包层会使得光子逃逸,气体继续冷却,压力下降;
随着压力降低,造父变星的外部包层物质又会被引力压缩。

只要造父变星处于这种不稳定的状态中,上述的循环就会一直重复,也就是我们所观察到变星的变化周期。

造父变星的光度越大,它的变光周期就越长

造父变星的变光周期和它的光度是相关联的,比如一个亮度达到40000倍太阳光度的造父变星,它的变光周期长达60天,而最暗的造父变星的光度只有300个太阳光度,它的变光周期只有2天。造父变星(以及天琴RR型变星)的变光周期和光度关系图如下图所示:

造父变星(以及天琴RR型变星)的变光周期和光度关系图
造父变星(以及天琴RR型变星)的变光周期和光度关系图

不过还有一个例外,那就是第二型造父变星(这是一种非典型造父变星,它们的脉动周期介于1~50天之间,最主要的是,第二型造父变星都是属于第二星族星,也就是说它们都是一些金属含量比较贫乏的老年恒星),这些造父变星因为具有不同的化学成分,所以和上图中的脉动周期-光度的变化并不完全一样。

长周期造父变星的特征

通过上述的介绍,我们了解到了造父变星的变光周期和光度的关系,一般光度越大的造父变星它的变光周期也越长。

一般的造父变星的变光周期是2~60天,比这个时间更长的造父变星就是长周期造父变星,它们的变光周期可以从80天~1000天不等。

长周期造父变星的另外一个重要特性就是其光度变化范围非常大,一般可以在视觉上光度变化可以超过100倍,但是它的实际能量输出变化其实要小很多,并不如光度变化来得大,另外长周期造父变星的大部分能量是以红外光而不是可见光的形式释放出来。

船尾座RS图片
船尾座RS图片

长周期造父变星中最典型的一颗叫做蒭藁增二,位于鲸鱼座中,是一颗红巨星,虽然它的质量只有太阳质量的1.2倍,但是它却处于生命的末期。蒭藁增二的光度变化非常大,最小和最大亮度能相差1700倍,是天空中最明亮的长周期变星。它的半径在太阳330~400倍之间不断的变化,辐射能量居然达到了太阳的9000倍。

以蒭藁增二为样本的造父变星也被叫做米拉变星,或者是米拉星

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