星星的顏色,詳解

從暗淡的紅色到耀眼的藍色,恆星的顏色跨越光譜,並揭示了每顆恆星的熱度

The scattered stars of the globular cluster NGC 6355 are strewn across this image from the NASA/ESA Hubble Space Telescope.

無論是紅色、橙色、黃色、藍色還是白色,球狀星團NGC 6355中的星星都像彩色寶石一樣閃耀,這張照片來自哈勃太空望遠鏡。

我並沒有特別偏愛的觀星季節;每個季節都為天空帶來獨特的魅力。但夏天有些特別,那時天氣溫和,銀河系高懸頭頂,承載著璀璨奪目的繁星。

確實有我最喜歡的星星,每次走到戶外後,我總是先尋找它們:天琴座高懸的織女星、牧夫座的大角星以及天蠍座的心宿二,僅舉幾例。

為什麼是這些星?首先,它們是天空中最亮的星星之一,它們讓我更容易在頭頂的星空中定位自己。但——這並非無關緊要——它們也分別閃耀著耀眼的藍色、橙色和紅色。只有少數星星顯示出任何顏色,而絕大多數都只是,嗯,白色。仰望繁星點點的主星,你可能會想:為什麼有些星星如此色彩斑斕,而另一些則不然?


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我喜歡在這樣的時刻引用威廉·莎士比亞;在他的戲劇《尤利烏斯·凱撒》中,凱撒說:“天空被無數的火花所描繪,它們都是火焰,每一顆都在閃耀。”這位受人尊敬的吟遊詩人說得很有道理:事實證明,星星的顏色主要取決於它的“火焰”有多熱——儘管它的熱量是透過核心中的熱核聚變獲得的,而不是透過實際燃燒任何東西。(恆星的表面溫度決定了它的顏色;核心本身要熱得多。)

幾千年前,天文學家就注意到了星星的顏色,並且至少從鐵器時代開始,將這些顏色與溫度聯絡起來並不是什麼難事。拿一根鐵棒,把它放在爐子裡。幾分鐘後,鐵棒會變得足夠熱,以至於發出紅光。隨著溫度升高,它接下來會變成橙色,然後是黃色,然後是白熾(此時鐵會熔化,結束其視覺輔助作用)。一些古代天文學家認為,星星的行為方式也相同(儘管可能沒有熔化部分)。

星星確實以這種方式發光,儘管現實情況一如既往,比當時大多數人敢於夢想的還要複雜得多。在19世紀,天文學家開始拍攝星星的光譜。他們為望遠鏡配備了稜鏡或光柵(蝕刻有非常細線的平板玻璃),將入射的星光分解成非常窄的顏色範圍,就像精細解剖的彩虹一樣。繪製星星光譜的亮度圖使顏色的測量比用肉眼完成的要準確得多。

天文學家試圖根據這些恆星光譜圖的形狀和結構對星星進行分類,但事實證明這非常困難。最終,安妮·坎農等天文學家的工作簡化了該方案,這為其他人意識到這些特徵在很大程度上是由恆星的溫度引起的鋪平了道路。正是這些相同的特徵使天文學家塞西莉亞·佩恩-加波什金確定恆星主要由氫和氦組成。這一重大發現為現代恆星天文學奠定了基礎。

這也是為什麼我們現代的分類系統——被地球上被迫記住它的學生所憎恨——透過字母O、B、A、F、G、K、M、L、T和Y列出從最熱到最冷的星星。(最初的字母順序方案被分割並重新排列——並且此後進行了進一步的修訂。天文學家添加了最後三個字母來指定那些如此寒冷和微弱的星星,以至於我們最近才獲得發現它們的能力。)

啊,我剛才說到哪兒了?讓我們回到我夏天最喜歡的織女星、大角星和心宿二。那麼,織女星是一顆藍白色的A型星,大角星是一顆橙色的K型星,而心宿二是一顆紅色的M型星。幾十年來,天文學家不斷修改這個分類系統,以包含更多資訊。然而,其核心見解仍然完好無損:星星都很熱,但它們不同的溫度賦予它們不同的顏色。

“熱”有多熱?M型星是最冷的——大約2,100到3,400攝氏度。K型星的溫度範圍約為3,400到4,900攝氏度,而G型星——值得注意的是,太陽也屬於這一類——的溫度範圍為4,900到5,700攝氏度。星星的溫度可以更高:質量巨大且極其熾熱的O型星,即最熱的星星,可以超過100,000攝氏度!

我們認為“紅熱”字面上是滾燙的。然而,當涉及到星星時,這是它們能達到的最冷溫度。儘管如此,天文學家已經習慣了這種極端情況,而我們的語言也反映了我們可能變得多麼漠不關心。當我們應該說“滾燙”和“融化思想”時,我們卻使用“冷”和“熱”等詞來描述星星。

所以現在當你走到戶外思考星星時,你可以注意到它們的顏色,並對它們的溫度有一個大致的瞭解——也就是說,如果你能看到它們的顏色的話。大多數星星看起來都是白色的。

這不是星星的問題,而是我們眼睛的問題。正如凱撒在莎士比亞的《尤利烏斯·凱撒》中繼續說道,“世界上就是這樣;它充滿了人,而人是血肉之軀。”

人眼視網膜中有許多不同型別的細胞。例如,視杆細胞對光敏感,即使在非常低的光照水平下也會被啟用。視錐細胞檢測顏色,但需要更多的光才能開啟。用肉眼觀察,只有最亮的星星才能夠啟用你的視錐細胞,這就是為什麼較暗的星星看起來是白色——即無色的。它們足夠亮,可以啟動你的視杆細胞,但不足以讓你感知到它們的實際固有色調。

我可靠地看到顏色的最暗的星星是北落師門,一顆在南魚座中的一等星。在我看來,它幾乎是藍色的。雖然軒轅十四,在獅子座中發現,略微暗淡,根據光譜分類也是藍色的,但在我看來它總是白色的。北河三,是標誌著雙子座頭部的兩顆亮星之一,比北落師門更亮,但顏色是橙色的。而且在我看來,它通常也是白色的。你看到的顏色還取決於你的視力有多好(不幸的是,我的視力不是很好)、天氣條件等等。你的里程可能會有所不同。

使用光學輔助裝置會有所幫助。雙筒望遠鏡或望遠鏡比你的眼睛可以收集更多的光,這會將一些用肉眼仍然顯得白色的較亮星星轉變成彩虹般的星空寶石。例如,如果織女星(對於北半球的大多數觀測者來說,在八月日落之後幾乎就在頭頂)用肉眼看起來顯得黯淡無光,請嘗試用雙筒望遠鏡偷看一眼。當你這樣做時,它可能會閃耀著可愛的天藍色。

那麼地球整個天空中最亮的星星呢?在5,500攝氏度下,我們的太陽是什麼顏色?

事實證明,這稍微複雜一些——值得單獨寫一篇文章。請繼續關注下週的專欄!

編者注(2023年8月29日):本文在釋出後進行了編輯,以澄清恆星的表面溫度決定了它們的顏色。之前在8月25日進行了修訂,以更正球狀星團NGC 6355的影像。

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