北極星 Polaris 是天空中最著名的恆星之一，但它也是一個謎。最近對其基本特徵——例如質量和與地球的距離——的重新評估表明，這顆恆星出人意料地年輕，看起來只有其數十億年真實年齡的一小部分，就像一箇中年人不知何故看起來像個蹣跚學步的孩子。這非常奇怪；你可能會認為天文學家只是誤算了這顆恆星的年齡。但事實上，真相可能更奇怪：事實證明，恆星有時可以撥回宇宙時鐘以使自己返老還童。瞭解這可能如何在北極星上發生，對於我們對宇宙本身的理解至關重要。
為了解釋這個謎團，首先需要知道的是，北極星實際上是一個多星系統，其中幾顆恆星彼此繞行。即使快速瀏覽一下小型後院望遠鏡，也會發現北極星是兩顆恆星：一顆明亮的恆星，稱為北極星 A，以及一顆非常靠近它的較暗的恆星，稱為北極星 B。更精密的觀測進一步揭示，更亮的恆星本身實際上是一個非常緊密的雙星系統，由兩顆恆星（稱為 Aa 和 Ab）組成，它們彼此靠得太近地軌道執行，以至於在大多數影像中它們看起來像一顆。
北極星 Aa 是一顆巨星，也是三顆恆星中最亮的——當天文學家談論北極星時，他們通常特指這顆恆星。它也是一種非常特殊的恆星，稱為造父變星，它會週期性地變亮然後變暗。北極星 Aa 的亮度在大約四天的時間內變化約 4%。造父變星在天文學中至關重要：它們完成一次變暗和變亮週期的時長與它們發出的能量多少有關。這意味著，如果你能測量它們的變異性，你就能得到它們的絕對亮度。將這種內在亮度與恆星在地球天空中看起來有多亮進行比較，是確定宇宙距離的一種方法（因為更遙遠的物體看起來更暗）。我們可以在附近的星系中發現這樣的恆星，這意味著我們可以測量到那個星系的距離，這在其他情況下很難做到！這確實非常重要。
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北極星是距離地球最近的造父變星，這意味著獲得其距離至關重要。有了這個值，我們就可以用它來校準到其他更遙遠的造父變星的距離。問題是，獲得北極星的距離很難！它是一顆相當明亮的恆星，並且很快就會使大多數現代望遠鏡的探測器飽和。這在很大程度上是北極星的距離估計值差異很大的原因，從大約 300 到 450 光年不等，考慮到這個恆星系統對我們基本的宇宙計算有多重要，這是一個令人無法接受的巨大不確定性。
2018 年，一個天文學家團隊做了一件聰明的事情：研究人員假設第三顆恆星北極星 B 與北極星 A 物理相關（這是一個相當可靠的假設），並使用哈勃太空望遠鏡觀察它，使用一種稱為視差的技術來測量其距離。結果是 521 光年，實際上比之前對北極星的估計值的上限還要遠，所以這是一個驚喜。但這是正確的嗎？
隨後的後續工作表明它是正確的——這就是北極星神秘年齡的由來。
天文學家理查德·I·安德森查看了對北極星 Aa 的觀測結果，並試圖使用物理模型來理解它是什麼型別的恆星，最終在《天文與天體物理學》雜誌上發表了他的研究結果。安德森發現，北極星 Aa 的幾乎所有物理特徵都與一顆質量是太陽七倍，距離 521 光年的恆星一致，這與新的距離測量結果相符。
太棒了！所有的碎片都已就位，北極星的謎題也解決了——除了，是的，並沒有。
北極星是造父變星這一事實意味著它已經足夠老，核心中的氫燃料已經耗盡。它正在逐漸變成類似於參宿四的紅超巨星；目前，它仍然是黃超巨星，但在短短幾千年內，它將變得更紅。處於這種過渡期的恆星往往是變星，因為它們的核心有點不穩定，隨著時間的推移變得更熱和更冷。它將能量泵入外層，外層膨脹然後收縮，使恆星週期性地變亮和變暗——換句話說，它變成了造父變星。
大質量恆星的核心燃料消耗迅速，考慮到這一事實的模型表明，北極星 Aa 應該只有大約 5400 萬年的歷史。這單獨來看沒什麼問題，但請記住，北極星 Aa 不是孤單的。更糟糕的是，天文學家的最佳估計值將它的伴星北極星 B 的年齡定為超過 20 億年！至少可以說，這是有問題的，因為所有其他跡象都表明這兩顆恆星的年齡相同，很可能從同一片星際氣體雲中共同形成。這是怎麼回事？
這就是有趣的地方。確實有一種方法可以讓老恆星看起來重新年輕：透過與另一顆恆星碰撞和合並。當這種情況發生時，氣體會在恆星中混合，欺騙我們關於恆星如何老化的物理模型，並給恆星相當於恆星整容的效果。
這在恆星中並不常見，但已知會發生。回想一下，北極星 A 的緊密雙星系統由兩顆恆星組成，質量更大的北極星 Aa 和質量較小的北極星 Ab 緊密地圍繞它執行——但可能曾經存在第三顆恆星。在某個時候，這顆假設的第三顆恆星與另外兩顆恆星之一碰撞併合並，形成了我們現在看到的北極星 Aa。這種合併的另一個結果是將大量物質猛烈地噴射到太空——合併是非常高能量的事件——而且確實有一些跡象表明北極星系統周圍存在這種情況。如果是這樣，這種情況大約發生在 5000 萬年前——有趣的是，這與模型顯示的北極星 Aa 的年齡相符。
如果沒有合併，北極星 Aa 將是一顆質量較小的恆星，看起來是它大約 20 億年的真實年齡，並且仍然有很長的壽命。然而，相反，合併為它增加了很多質量。這使得它看起來像是年輕了（5000 萬年而不是 20 億年），但這付出了高昂的代價，因為質量更高的恆星老化得更快，耗盡核心燃料的速度比質量較低的恆星呈指數級增長。這就是北極星 Aa 儘管看起來年輕，但卻可能正在接近其作為紅超巨星的“最後喘息”的恆星生命階段的原因。
最後，我們似乎對這顆恆星有了一個一致的描述：它誕生於 20 億年前，在 5000 萬年前與另一顆恆星合併，現在是一顆造父變星，整個系統距離地球 521 光年。
這種時間扭曲合併的想法可能看起來像是憑空捏造的，但實際上有很多先例。球狀星團是數十萬顆古老的紅巨星的古老集合，但許多星團都有看起來更年輕的成員，稱為藍離散星。這些藍星曾經完全是個謎，直到天文學家意識到它們是恆星返老還童合併的結果。還有奇異的天體麒麟座 V838，一顆被一團膨脹的宇宙塵埃雲包圍的恆星。它也是恆星合併的結果，這種合併丟擲了一層厚厚的物質，稱為紅新星，之所以如此命名，是因為塵埃導致恆星呈現出紅潤的外觀，原因與火災後的煙霧使太陽變紅的原因相同。
如果“恆星合併”的想法在北極星上成立，那麼當我們使用這顆恆星來校準到其他造父變星以及因此到其他星系的距離時，我們就可以充滿信心。這是我們稱之為距離階梯的最底層梯級之一——我們用它來從測量附近恆星的距離到最遙遠的星系——所以這實際上是我們衡量整個宇宙的方式。
有趣的是——當我們試圖找到方向時，我們使用北極星來指引我們。對於許多探險家來說都是如此，無論他們是地球上的探險家還是試圖繪製宇宙地圖的探險家。
作者注：感謝 Bluesky 使用者 @desmigeo.bsky.social 建議了這個主題。