造父變星

造父變星

造父變星是一類具有周期性光度變化的脈動變星，其亮度變化周期與光度之間存在明確關係。這類變星因典型星「造父一」（仙王座δ）而得名，由英國天文學家約翰·古德利克於1784年首次發現其光變特性。

基本參數

• 光變周期：通常為1-70天，多數在5-10天範圍內

• 光度變化幅度：約0.5-2個星等（可見光波段）

• 光譜型：F型至K型巨星或超巨星

• 質量：約為太陽質量的3-20倍

• 半徑：可達太陽半徑的30-200倍

脈動機制

造父變星的亮度變化源自星體本身的周期性膨脹與收縮。這種脈動主要由星體外層的氦部分電離區（電離氦→雙電離氦）驅動，當星體收縮時該區域不透明度增加，導致輻射被阻擋而加熱氣體，產生向外壓力使星體膨脹；膨脹後不透明度降低，輻射逃逸導致冷卻收縮，形成持續振盪。

經典造父變星（Type I Cepheid）

• 屬於年輕星族I，金屬含量較高

• 周期-光度關係明顯

• 多存在於旋渦星系的旋臂中

第二型造父變星（Type II Cepheid）

• 屬於年老星族II，金屬含量較低

• 又細分為：

  • 室女W型變星：周期小於8天

  • 寶瓶RV型變星：周期20-70天

• 主要分布於星系暈和球狀星團中

異常造父變星

• 光變曲線形狀特殊

• 可能處於不同演化階段

• 包括「雙模造父變星」（同時存在兩種脈動模式）

基本關係式

造父變星的光度（絕對星等）與其脈動周期存在對數線性關係：Mv = -a·logP + b其中a、b為常數，P為周期（天）

應用意義

這一關係使造父變星成為重要的「標準燭光」，通過測量其光變周期可推算絕對星等，再結合視星等即可計算距離。美國天文學家亨麗埃塔·勒維特1912年發現的這一關係，為宇宙距離尺度測定奠定了基礎。

造父變星處於恆星演化的不穩定階段：

1. 對於經典造父變星，處於核心氦燃燒階段的黃超巨星時期

2. 對於第二型造父變星，處於漸近巨星分支（AGB）階段

3. 在赫羅圖上位於「不穩定帶」區域

距離測量

• 測定銀河系內距離（如球狀星團）

• 測定鄰近星系距離（如仙女座星系）

• 校正其他距離指標（如Ia型超新星）

宇宙學研究

• 參與哈勃常數的測定

• 研究星系結構與化學演化

• 檢驗恆星演化理論

1. 造父一（仙王座δ）：原型星，周期5.366天

2. 北極星（小熊座α）：經典造父變星，現已幾乎停止脈動

3. 天琴座RR：雖非嚴格造父變星，但屬相關的短周期變星

4. 劍魚座β：南天重要造父變星

現代研究重點包括：

• 精確校正周期-光度關係（考慮金屬豐度影響）

• 空間望遠鏡（如哈勃、蓋亞）的高精度觀測

• 脈動理論的數值模擬改進

• 雙星系統中造父變星的特殊行為研究

造父變星作為宇宙「量天尺」，持續在天文學距離測量和宇宙學研究中發揮關鍵作用。