北极星 Polaris 是天空中最著名的恒星之一，但它也是一个谜。最近对其基本特征——例如质量和与地球的距离——的重新评估表明，这颗恒星出人意料地年轻，看起来只有其数十亿年真实年龄的一小部分，就像一个中年人不知何故看起来像个蹒跚学步的孩子。这非常奇怪；你可能会认为天文学家只是误算了这颗恒星的年龄。但事实上，真相可能更奇怪：事实证明，恒星有时可以拨回宇宙时钟以使自己返老还童。了解这可能如何在北极星上发生，对于我们对宇宙本身的理解至关重要。
为了解释这个谜团，首先需要知道的是，北极星实际上是一个多星系统，其中几颗恒星彼此绕行。即使快速浏览一下小型后院望远镜，也会发现北极星是两颗恒星：一颗明亮的恒星，称为北极星 A，以及一颗非常靠近它的较暗的恒星，称为北极星 B。更精密的观测进一步揭示，更亮的恒星本身实际上是一个非常紧密的双星系统，由两颗恒星（称为 Aa 和 Ab）组成，它们彼此靠得太近地轨道运行，以至于在大多数图像中它们看起来像一颗。
北极星 Aa 是一颗巨星，也是三颗恒星中最亮的——当天文学家谈论北极星时，他们通常特指这颗恒星。它也是一种非常特殊的恒星，称为造父变星，它会周期性地变亮然后变暗。北极星 Aa 的亮度在大约四天的时间内变化约 4%。造父变星在天文学中至关重要：它们完成一次变暗和变亮周期的时长与它们发出的能量多少有关。这意味着，如果你能测量它们的变异性，你就能得到它们的绝对亮度。将这种内在亮度与恒星在地球天空中看起来有多亮进行比较，是确定宇宙距离的一种方法（因为更遥远的物体看起来更暗）。我们可以在附近的星系中发现这样的恒星，这意味着我们可以测量到那个星系的距离，这在其他情况下很难做到！这确实非常重要。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
北极星是距离地球最近的造父变星，这意味着获得其距离至关重要。有了这个值，我们就可以用它来校准到其他更遥远的造父变星的距离。问题是，获得北极星的距离很难！它是一颗相当明亮的恒星，并且很快就会使大多数现代望远镜的探测器饱和。这在很大程度上是北极星的距离估计值差异很大的原因，从大约 300 到 450 光年不等，考虑到这个恒星系统对我们基本的宇宙计算有多重要，这是一个令人无法接受的巨大不确定性。
2018 年，一个天文学家团队做了一件聪明的事情：研究人员假设第三颗恒星北极星 B 与北极星 A 物理相关（这是一个相当可靠的假设），并使用哈勃太空望远镜观察它，使用一种称为视差的技术来测量其距离。结果是 521 光年，实际上比之前对北极星的估计值的上限还要远，所以这是一个惊喜。但这是正确的吗？
随后的后续工作表明它是正确的——这就是北极星神秘年龄的由来。
天文学家理查德·I·安德森查看了对北极星 Aa 的观测结果，并试图使用物理模型来理解它是什么类型的恒星，最终在《天文与天体物理学》杂志上发表了他的研究结果。安德森发现，北极星 Aa 的几乎所有物理特征都与一颗质量是太阳七倍，距离 521 光年的恒星一致，这与新的距离测量结果相符。
太棒了！所有的碎片都已就位，北极星的谜题也解决了——除了，是的，并没有。
北极星是造父变星这一事实意味着它已经足够老，核心中的氢燃料已经耗尽。它正在逐渐变成类似于参宿四的红超巨星；目前，它仍然是黄超巨星，但在短短几千年内，它将变得更红。处于这种过渡期的恒星往往是变星，因为它们的核心有点不稳定，随着时间的推移变得更热和更冷。它将能量泵入外层，外层膨胀然后收缩，使恒星周期性地变亮和变暗——换句话说，它变成了造父变星。
大质量恒星的核心燃料消耗迅速，考虑到这一事实的模型表明，北极星 Aa 应该只有大约 5400 万年的历史。这单独来看没什么问题，但请记住，北极星 Aa 不是孤单的。更糟糕的是，天文学家的最佳估计值将它的伴星北极星 B 的年龄定为超过 20 亿年！至少可以说，这是有问题的，因为所有其他迹象都表明这两颗恒星的年龄相同，很可能从同一片星际气体云中共同形成。这是怎么回事？
这就是有趣的地方。确实有一种方法可以让老恒星看起来重新年轻：通过与另一颗恒星碰撞和合并。当这种情况发生时，气体会在恒星中混合，欺骗我们关于恒星如何老化的物理模型，并给恒星相当于恒星整容的效果。
这在恒星中并不常见，但已知会发生。回想一下，北极星 A 的紧密双星系统由两颗恒星组成，质量更大的北极星 Aa 和质量较小的北极星 Ab 紧密地围绕它运行——但可能曾经存在第三颗恒星。在某个时候，这颗假设的第三颗恒星与另外两颗恒星之一碰撞并合并，形成了我们现在看到的北极星 Aa。这种合并的另一个结果是将大量物质猛烈地喷射到太空——合并是非常高能量的事件——而且确实有一些迹象表明北极星系统周围存在这种情况。如果是这样，这种情况大约发生在 5000 万年前——有趣的是，这与模型显示的北极星 Aa 的年龄相符。
如果没有合并，北极星 Aa 将是一颗质量较小的恒星，看起来是它大约 20 亿年的真实年龄，并且仍然有很长的寿命。然而，相反，合并为它增加了很多质量。这使得它看起来像是年轻了（5000 万年而不是 20 亿年），但这付出了高昂的代价，因为质量更高的恒星老化得更快，耗尽核心燃料的速度比质量较低的恒星呈指数级增长。这就是北极星 Aa 尽管看起来年轻，但却可能正在接近其作为红超巨星的“最后喘息”的恒星生命阶段的原因。
最后，我们似乎对这颗恒星有了一个一致的描述：它诞生于 20 亿年前，在 5000 万年前与另一颗恒星合并，现在是一颗造父变星，整个系统距离地球 521 光年。
这种时间扭曲合并的想法可能看起来像是凭空捏造的，但实际上有很多先例。球状星团是数十万颗古老的红巨星的古老集合，但许多星团都有看起来更年轻的成员，称为蓝离散星。这些蓝星曾经完全是个谜，直到天文学家意识到它们是恒星返老还童合并的结果。还有奇异的天体麒麟座 V838，一颗被一团膨胀的宇宙尘埃云包围的恒星。它也是恒星合并的结果，这种合并抛出了一层厚厚的物质，称为红新星，之所以如此命名，是因为尘埃导致恒星呈现出红润的外观，原因与火灾后的烟雾使太阳变红的原因相同。
如果“恒星合并”的想法在北极星上成立，那么当我们使用这颗恒星来校准到其他造父变星以及因此到其他星系的距离时，我们就可以充满信心。这是我们称之为距离阶梯的最底层梯级之一——我们用它来从测量附近恒星的距离到最遥远的星系——所以这实际上是我们衡量整个宇宙的方式。
有趣的是——当我们试图找到方向时，我们使用北极星来指引我们。对于许多探险家来说都是如此，无论他们是地球上的探险家还是试图绘制宇宙地图的探险家。
作者注：感谢 Bluesky 用户 @desmigeo.bsky.social 建议了这个主题。