科学思维：星亮度与距离的关联

接着，我想再说说天文学上跟“大爆炸模型”有密切关系的故事。第一个我想到的问题——如何知道一颗星和地球间的距离？很多人会说这很明显是一个重要的问题，但是从来没有想过怎样去做。有人会说从这颗星的亮度来判断，这是正确的基本想法，但是如何从一颗星的亮度去判断它和地球的距离呢？首先，一颗星有它真正的亮度，也有它和地球的距离；亮度是随着这颗星和地球距离的平方而衰减的。换句话说，我们没有方法直接测定一颗星真正的亮度，也不知道这颗星和地球的距离，唯一能做的是在地球上观测到这颗星的亮度。究竟该怎么办呢？这其中有很多有趣的学问。

首先，天文学家把天空分成88个区域，每一个区域里的星就是一个星座，每个星座都有名字。这88个星座里大家最熟悉的就是当太阳经过天空时所通过的十二个星座，像狮子座、天蝎座、水瓶座等。我这么讲大家就明白，为什么一年会分成十二个星座期，其实就是每一年太阳通过这十二个星座时所经历的那段时间。我要特别提仙王座中的一颗星——造父星。造父是中国周朝时代一个人的名字。在中国天文学里，天文学家把天空分成31个区域和三垣（紫微垣、太微垣和天市垣），垣里的星是终年都可以看到的，另外再加二十八宿。西方的十二星象和太阳在天空的移动相关联，中国的二十八宿和月亮在天空的移动相关联。

有些星的亮度是固定不变的，例如太阳；有些星的亮度会随着时间改变，这些星就叫作变星。18世纪时，年轻的天文学家古德利克（John Goodricke，1764～1786年）在观察仙王座的一颗变星——造父星的时候，发现它的亮度改变是周期性的——大约是每5天8小时重复一次。以当时的望远镜技术来讲，这是非常细微的观察。随后，天文学家陆续发现许多和造父星相似的变星，亮度变化都呈周期性，这些星统称为“造父变星”。

过了将近一百年，美国哈佛天文台的亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Swan Leavitt，1868～1921年）女士花很多时间观察许多造父变星亮度变化的周期，做了一个大胆而最后证明是对的假设。她找了25颗和地球距离大致一样的造父变星，只知道这些星与地球的距离差不多一样，但不知道它们与地球的距离是多少。因为这些星和地球的距离差不多一样，当这些星的光芒传到地球时，它们真正的亮度经过了同样距离的衰减，因此，我们在地球观察到这些星彼此间亮度的相对比例，跟这些星彼此间真正亮度的相对比例是一样的。换句话说，对这些星而言，我们在地球上所观察到的亮度，和它们真正的亮度有一个共同的比例。

勒维特女士从这25颗造父变星的观察中得到一个结论是：一颗造父变星的真正亮度和它的亮度变化的周期成正比。换句话说，一颗造父变星亮度变化的周期越长，真正的亮度也越大。勒维特女士这个结论非常有用，因为我们可以观察任何两个造父变星的亮度、变化的周期，由它们亮度变化的周期比例，算出真正的亮度比例。同时，我们也知道它们在地球上被观察到的亮度比例。从这两个比例就可以算出这两颗星和地球间的距离比例。(www.xing528.com)

例如，有两颗造父变星的亮度变化周期的比例是3∶1，真实的亮度比例也是3∶1。如果它们在地球上观察到的亮度比例也是3∶1，那么它们和地球的距离比例就是1∶1。也就是说，这两颗星和地球的距离是一样的。再举一个例子，假如有两颗造父变星，亮度变化的周期比例是3∶1，但是我们在地球上观察到的亮度比例是12∶1，为什么呢？因为前面那颗造父变星离我们比较近，后面那颗造父变星离我们比较远，而且两者离地球的距离的比例是1∶2（3×22=12）。

这样一来，天文学家就可以把每两颗造父变星和地球间的距离比例算出来。但是，让我强调这些都是比例而已。不过，当我们把这些比例算出来后，只要把一颗造父变星和地球的真实距离观测出来，就可以按照这些比例算出其他造父变星和地球的距离了。勒维特女士在1912年发表她的论文，一两年之内就有天文学家观测算出了某颗造父变星和地球的距离。有了这个结果，其他造父变星和地球的距离也就可以知道了。

那么，其他的星呢？我们可以用它附近的已知造父变星和地球的距离，来做近似的估计。所以，古德利克和勒维特的观察结果解决了测定距离这个问题。