星星的颜色,详解

从暗淡的红色到耀眼的蓝色,恒星的颜色跨越光谱,并揭示了每颗恒星的热度

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

无论是红色、橙色、黄色、蓝色还是白色,球状星团NGC 6355中的星星都像彩色宝石一样闪耀,这张照片来自哈勃太空望远镜。

我并没有特别偏爱的观星季节;每个季节都为天空带来独特的魅力。但夏天有些特别,那时天气温和,银河系高悬头顶,承载着璀璨夺目的繁星。

确实有我最喜欢的星星,每次走到户外后,我总是先寻找它们:天琴座高悬的织女星、牧夫座的大角星以及天蝎座的心宿二,仅举几例。

为什么是这些星?首先,它们是天空中最亮的星星之一,它们让我更容易在头顶的星空中定位自己。但——这并非无关紧要——它们也分别闪耀着耀眼的蓝色、橙色和红色。只有少数星星显示出任何颜色,而绝大多数都只是,嗯,白色。仰望繁星点点的主星,你可能会想:为什么有些星星如此色彩斑斓,而另一些则不然?


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我喜欢在这样的时刻引用威廉·莎士比亚;在他的戏剧《尤利乌斯·凯撒》中,凯撒说:“天空被无数的火花所描绘,它们都是火焰,每一颗都在闪耀。”这位受人尊敬的吟游诗人说得很有道理:事实证明,星星的颜色主要取决于它的“火焰”有多热——尽管它的热量是通过核心中的热核聚变获得的,而不是通过实际燃烧任何东西。(恒星的表面温度决定了它的颜色;核心本身要热得多。)

几千年前,天文学家就注意到了星星的颜色,并且至少从铁器时代开始,将这些颜色与温度联系起来并不是什么难事。拿一根铁棒,把它放在炉子里。几分钟后,铁棒会变得足够热,以至于发出红光。随着温度升高,它接下来会变成橙色,然后是黄色,然后是白炽(此时铁会熔化,结束其视觉辅助作用)。一些古代天文学家认为,星星的行为方式也相同(尽管可能没有熔化部分)。

星星确实以这种方式发光,尽管现实情况一如既往,比当时大多数人敢于梦想的还要复杂得多。在19世纪,天文学家开始拍摄星星的光谱。他们为望远镜配备了棱镜或光栅(蚀刻有非常细线的平板玻璃),将入射的星光分解成非常窄的颜色范围,就像精细解剖的彩虹一样。绘制星星光谱的亮度图使颜色的测量比用肉眼完成的要准确得多。

天文学家试图根据这些恒星光谱图的形状和结构对星星进行分类,但事实证明这非常困难。最终,安妮·坎农等天文学家的工作简化了该方案,这为其他人意识到这些特征在很大程度上是由恒星的温度引起的铺平了道路。正是这些相同的特征使天文学家塞西莉亚·佩恩-加波什金确定恒星主要由氢和氦组成。这一重大发现为现代恒星天文学奠定了基础。

这也是为什么我们现代的分类系统——被地球上被迫记住它的学生所憎恨——通过字母O、B、A、F、G、K、M、L、T和Y列出从最热到最冷的星星。(最初的字母顺序方案被分割并重新排列——并且此后进行了进一步的修订。天文学家添加了最后三个字母来指定那些如此寒冷和微弱的星星,以至于我们最近才获得发现它们的能力。)

啊,我刚才说到哪儿了?让我们回到我夏天最喜欢的织女星、大角星和心宿二。那么,织女星是一颗蓝白色的A型星,大角星是一颗橙色的K型星,而心宿二是一颗红色的M型星。几十年来,天文学家不断修改这个分类系统,以包含更多信息。然而,其核心见解仍然完好无损:星星都很热,但它们不同的温度赋予它们不同的颜色。

“热”有多热?M型星是最冷的——大约2,100到3,400摄氏度。K型星的温度范围约为3,400到4,900摄氏度,而G型星——值得注意的是,太阳也属于这一类——的温度范围为4,900到5,700摄氏度。星星的温度可以更高:质量巨大且极其炽热的O型星,即最热的星星,可以超过100,000摄氏度!

我们认为“红热”字面上是滚烫的。然而,当涉及到星星时,这是它们能达到的最冷温度。尽管如此,天文学家已经习惯了这种极端情况,而我们的语言也反映了我们可能变得多么漠不关心。当我们应该说“滚烫”和“融化思想”时,我们却使用“冷”和“热”等词来描述星星。

所以现在当你走到户外思考星星时,你可以注意到它们的颜色,并对它们的温度有一个大致的了解——也就是说,如果你能看到它们的颜色的话。大多数星星看起来都是白色的。

这不是星星的问题,而是我们眼睛的问题。正如凯撒在莎士比亚的《尤利乌斯·凯撒》中继续说道,“世界上就是这样;它充满了人,而人是血肉之躯。”

人眼视网膜中有许多不同类型的细胞。例如,视杆细胞对光敏感,即使在非常低的光照水平下也会被激活。视锥细胞检测颜色,但需要更多的光才能开启。用肉眼观察,只有最亮的星星才能够激活你的视锥细胞,这就是为什么较暗的星星看起来是白色——即无色的。它们足够亮,可以启动你的视杆细胞,但不足以让你感知到它们的实际固有色调。

我可靠地看到颜色的最暗的星星是北落师门,一颗在南鱼座中的一等星。在我看来,它几乎是蓝色的。虽然轩辕十四,在狮子座中发现,略微暗淡,根据光谱分类也是蓝色的,但在我看来它总是白色的。北河三,是标志着双子座头部的两颗亮星之一,比北落师门更亮,但颜色是橙色的。而且在我看来,它通常也是白色的。你看到的颜色还取决于你的视力有多好(不幸的是,我的视力不是很好)、天气条件等等。你的里程可能会有所不同。

使用光学辅助设备会有所帮助。双筒望远镜或望远镜比你的眼睛可以收集更多的光,这会将一些用肉眼仍然显得白色的较亮星星转变成彩虹般的星空宝石。例如,如果织女星(对于北半球的大多数观测者来说,在八月日落之后几乎就在头顶)用肉眼看起来显得黯淡无光,请尝试用双筒望远镜偷看一眼。当你这样做时,它可能会闪耀着可爱的天蓝色。

那么地球整个天空中最亮的星星呢?在5,500摄氏度下,我们的太阳是什么颜色?

事实证明,这稍微复杂一些——值得单独写一篇文章。请继续关注下周的专栏!

编者注(2023年8月29日):本文在发布后进行了编辑,以澄清恒星的表面温度决定了它们的颜色。之前在8月25日进行了修订,以更正球状星团NGC 6355的图像。

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