在广阔星空之中,有着木星、天狼星、织女星这样少数引人瞩目的亮星,而更多的是千千万万颗不起眼的星星。早在新石器时期,人类便已注意到这个现象。他们将日月星辰凿刻在岩壁上,以凿坑的大小代表其明暗程度。
(鞍山岩画的历史最早可以追溯到年前,这是岩壁上凿刻的星辰图案)
然而,这种记录星辰亮度的方法是原始而粗糙的,很容易受到凿刻者的主观影响。为了更准确地衡量星辰的亮度,古希腊天文学家喜帕恰斯(Hipparchus,约前-前)在总结前人观测经验的基础上,提出了“星等”的概念。
(喜帕恰斯在天文观测过程中,创立了三角学和球面三角学)
喜帕恰斯将肉眼可见的星星分为6个等级,星等数字越小,代表天体越明亮。其中最亮的是1等星,2-5等依次更暗淡,最暗的是肉眼勉强可以看见的6等星。如果能在夜空中看到6等星,说明你找到了一片晴朗而远离光污染的夜空,可以清晰地看见横跨天际的银河。
现代天文学沿用了喜帕恰斯的理论,也以星等的概念来衡量天体的亮度,并将1等星的亮度定义为6等星的倍。那么,天体的星等每相差1,其亮度就相差^(1/5)=2.倍。科学家将0等星的亮度定义为一个固定值,作为星等单位的基准。
同时,现代天文学扩展了星等的数字范围,一方面是引入小数以更精确地衡量亮度(如北极星为+2.02等星),另一方面用小于1的数字衡量更亮天体、用大于6的数字来衡量暗弱天体的亮度(如天狼星为-1.46等星、冥王星的星等为+14.25)。
有了星等作为标尺,我们就能很方便地衡量和比较天体的亮度了。根据统计,除太阳系天体以外,星空中比1等星更亮的恒星有16颗,而比2等星更亮的恒星多达46颗。下表列出了全天亮度前50的恒星及其星等。
然而,我们所讨论的星等并不能代表天体的真实亮度。这是因为我们观测到的天体亮度,不仅与其真实亮度有关,还与地球和天体之间的距离有关。我们观察路灯时,距离越近的路灯看起来越明亮。同样的道理,观测者所看到的天体亮度,会随着与天体之间距离的增大而衰减。
为了排除距离对天体观测亮度的影响,现代天文学引入了“绝对星等”的概念。绝对星等指的是将天体放在距离观测者10秒差距(约合32.62光年)的地方时,所观察到的天体星等,因此不会受到天体距离的影响。而前文讨论的“星等”是我们实际观察到的天体星等,因此又被称为“视星等”,显然视星等会受到天体距离的影响。
如果按照绝对星等来衡量天体的亮度,那么我们将发现一些有趣的现象。在前面提到的全天最亮的50颗恒星中,排名第19的天津四(视星等+1.25)有最高的绝对星等,为-8.73等。而除太阳外最亮的恒星天狼星(视星等-1.46),其绝对星等只有+1.45等。光芒万丈的太阳,其视星等高达-26.74,但绝对星等仅为+4.83等。这三颗恒星的视星等和绝对星等的高低排序恰好相反,这正说明了天体距离对视星等会产生非常大的影响。
视星等和绝对星等的差异在于是否受到天体距离影响,而我们反过来又可以利用两者来计算天体距离。这是星等最重要的用途之一。在天文实践中,观测者可以通过直接或者间接的方法测得视星等和绝对星等的数值,从而计算出遥远的恒星或星系与我们之间的距离。这个过程是如何运作的呢?