本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
作者：文/石蘭
天文學是最偉大的科學之一，其主題是我們生活的整個宇宙。而變星則是這些科學難題中的一部分，其主要研究在可測量的時間尺度上，恆星發生變化的過程和原因，甚至是關於星系和整個宇宙的更多知識。宇宙中的恆星似乎永遠閃耀著恆定的光芒，但這些恆星的實際亮度卻各不相同。從我們在站在地球上的角度來看，恆星看上去的亮度，主要取決於它與地球之間的距離、以及其實際的內在亮度。物理系統的行為會受到宇宙所引導的潛在物理定律的控制，研究變星可以告訴得出這些恆星的物理特性，並且通過擴展，知曉所有恆星的物理特性。因此，而研究變星也是學習恆星的最好方法之一。那麼，到底什麼樣的恆星是變星？在恆星進化的過程中，變星又會如何告訴我們、關於我們生活的這個真實的宇宙。
變星種類涉及恆星演化的各階段
科學家們對地外天體的探索，包括了其他行星、太陽、其他恆星、星系，甚至整個宇宙。並在這個過程中通過望遠鏡來觀測宇宙以收集數據。雖然我們無法「試驗」宇宙，並觸摸恆星和星系，但我們仍然可以通過觀察來了解宇宙。而其中的很大一部分都是植根於另一門基礎科學，它叫做物理科學，因為管理物理世界的物理定律，也同樣適用於宇宙中的任何地方。而關於變星的研究，就是天文學中的一個特定領域，科學家們可以通過測量它們隨著時間的推移，所表現的亮度變化來研究，並在被稱為光線曲線的圖形上繪製變化。
什麼是變星？當恆星的行為之一亮度發生變化，便會被稱為變星，並且這些亮度的變化是由該恆星內部、表面或周圍發生的事情所引起的。變星的種類繁多，會涉及到恆星演化的各個階段。比如，在二元系統中，當一顆恆星從另一顆恆星的前面通過，便會阻擋了我們眼睛看到的一些光線；又或是二進位中的一顆星，可能會從它的伴侶那裡吸收物質，從而變得更加明亮；而恆星本身也可能會有所不同，比如我們的太陽，在它的表明有時還有耀斑或黑子；它們甚至可能因為自己本身而變化，因為它們的表面可能像氣球一樣反覆膨脹和放氣，而表面區域或溫度的變化，都會使它們的光度發生改變。
通過變星可研究恆星的物理特性
變星反映了一個重要事實，即宇宙總處在不斷地變化之中，宇宙很大、恆星和星系距離很遠，而它們在時間尺度上發生的變化，又遠遠超過我們所能看到的。在人的一生中，天空中的大多數物體似乎根本沒有變化，包括恆星、星雲和星系。但變星卻可以在我們能夠觀察到的時間尺度上發生變化，研究人員已經發現，恆星在時間尺度上從幾毫秒到幾百年不等。它們中的每一個都可以通過其變化，告訴我們一些關於自身的信息，這些變星所提供的信息，使我們能夠更好地理解宇宙中更大的圖景。在天文學中有一個關鍵概念，那就是恆星會隨著時間的推移而變化。
雖然科學家們無法觀察到長時間尺度的恆星演化，但我們又是如何知道它的發生？有許多證據可以表明我們目前對恆星演化的理解，其中一個是對核物理的理解，這個理論闡釋了為什麼恆星會發光，以及恆星有大量、但有限的燃料來源可產生熱量；而另一個證據，則是對恆星星團的觀測研究，恆星群在同一時間和地點誕生，以及星團的性質取決於它們的年齡。實際上，變星往往提供了研究單個恆星物理特性的最佳方法，它們的變化將它們變成了恆星物理學的「實驗室」，而關於恆星物理性質的證據，也來自變星的研究，每當有人觀察變星時，他們就會收集恆星表現的證據。
研究人員可以建立為什麼恆星變化的假設，然後用收集到的所有數據來測試這些假設，每一個證據都提供了不同的測試，每個測試都允許將之前的假設進行改進，並更準確地描述恆星變化的原因。當我們能夠充分了解個體恆星，我們就可以開始學習變星的類別。最終，通過整合所有模型和不同類型恆星的描述，了解所有其他的恆星，無論其是否發生變化，都可以更好地了解恆星是什麼、以及它們的進化過程。
恆星的誕生之極端而年輕的變星
當我們在一年的最初幾個月仰望夜空時，可以看到天空中的兩個巨大的星座，它們是金牛座和獵戶座，這些地區也是我們在天空中可以看到的一些最年輕的恆星家園，同時也是一些重要變星的家園，而這些變量的存在有助於講述恆星誕生的故事。年輕的變星首先被稱為獵戶座變量或星雲變量，它們在獵戶座或其他類似的氣體星雲中大量出現，而這些星雲變量中最著名的一類是TTauri星。這些恆星看似與「正常」恆星相似，但卻存在一些重要的差異。比如，它們變化很大，且亮度不如我們預期；它們通常位於氣態星雲附近，顯示出由高度激發的稀薄氣體原子所發出的光。直到20世紀60年代早期，TTauri恆星才最終被確認是新生恆星，並仍然從星雲中微弱地吸收灰塵和氣體。
它們的變化，可能是由許多因素造成的，但其中很大一部分都與吸積有關。氣體正在從恆星的重力勢阱中加速下降，氣體在獲得一些動能同時也在被加熱。這些催化氣體具有一定的摩擦力，當它向原恆星落下時，氣體內的粘度使其升溫。隨著它越來越熱，便會發出越來越多的光，直到它撞擊表面，在那裡發出更多的光。在恆星演化中，存在一些年輕變量的變異極端，比如UX Orionis star（FUOR）和FU Orionis star（UXORs）。
雖然它們的年齡密切相關，但變異性卻不同：FUOR會經歷非常大且非常長期的亮度變化，有時亮度甚至會超過100倍，然後又在數年、或數十年內再次褪色，這種快速增長導致更多的能量釋放，如光和熱；而UXORs是在非常短的時間尺度上變化的恆星，並且，它是變得更暗而不是更亮。其中盤是塊狀而不是均勻的，這些團塊中的一些足夠大，可以在它們運行時部分遮擋原恆星，導致恆星在我們眼前變暗。
科學家們是怎麼知道這一切的？當TTauri、FU和UX Ori被發現時，研究人員並不知道它們仍然是處於形成過程中的原恆星。但隨著時間的推移，通過觀察和測試各種理論來逐漸了解這一點。天文學家最初的觀察結果就是「它們是可變的」， 因為大多數恆星並沒有明顯變化，所以這本身就很有意思，於是，天文學家開始追蹤它們的亮度。然後，他們發現了其他行為相似的恆星，並認識到這些恆星經常存在於氣態星雲中或附近，並且該星雲正是恆星誕生的地方，最終才使科學家們得出結論，這些恆星還很年輕，並仍處於形成過程中。在光學光和其他波長下的更多觀察中，表明了它們的可變性，源自它們形成的一些相同過程。當物質聚集在恆星上、或者當周圍物質的圓盤發生變化時，恆星會變亮。它們可以在恆星周圍形成塵埃雲時、或者當這些雲繞著軌道運行並暫時遮擋它們時褪色。我們現在已經很好地理解了恆星是如何形成的（來自坍塌的氣體和塵埃雲）以及它需要多長時間（幾百萬年），也知道了這個過程是漸進的，即使在原恆星開始像恆星一樣閃耀之後，它仍會持續一段時間，更明白了這種吸積過程本身就會導致變異。
主序星中可能存在的兩種可變性
一旦一個年輕的原恆星從誕生它的雲中吸收了所有氣體和塵埃，它可能將足夠大，可以在其核心中燃燒氫氣，並作為恆星發光，然後變成一個年齡為零的主序星。而它主序壽命的開始是氫燃燒首先開始的點，並由其核心中氫耗盡的點而確定結束，比如，我們的太陽將在主序上花費90億到100億年。當其核心緩慢地將氫原子轉化為氦原子，並在此過程中釋放能量，組成的變化會引起結構隨著時間而變化，這也改變了恆星的溫度和它發出的光量。當然，雖然這個過程中發生了許多重要的變化，但在他們生命的這段時間內，主序上的恆星變化依然很小。因為在恆星內部發生了很多複雜的事情，科學家們做了一些非常類似於研究恆星內部的東西，並把這稱為星體論。
在恆星中，聲波和重力波可以通過內部傳播，其方式類似於地震的振動穿過地球。對於某些恆星，我們可以通過觀察恆星表面不同部分的亮度，如何隨時間變化來測量這些振動，而恆星表面的振動被稱為脈動，我們可以測量這些脈動的特性來說明恆星內部的條件。在許多恆星中，包括我們自己的太陽，也同時發生了許多不同的振動，每個振動頻率被稱為脈動模式，陽也許是最重要的脈動變量，其脈動的研究稱為日震學。雖然，太陽的脈動微弱，肉眼無法看到，但通過研究表明，在任何給定的時間內，太陽內都存在數千種脈動模式。我們對恆星生命的了解大多來自於對太陽變化的研究，但它無法告訴我們關於所有恆星的一切，因為它只是一顆恆星，一顆有特定質量和年齡的恆星。如果我們想以這種方式了解其他恆星，那麼必須尋找其他恆星的脈動。近年來，科學家們也開始對其他「太陽能」恆星進行精確的光度測量，希望能夠更多地了解類似於太陽的恆星，當然，它們必須處於生命的不同階段。
主序星中還可能存在另一種可變性，我們也在太陽上看到這種可變性。如果你曾經看過太陽的照片，或者通過太陽濾鏡看過它，你可能已經注意到它表面有許多黑點。而這些斑點就是太陽黑子，它們是由太陽上的強磁場引起的，這些磁場會干擾太陽內部到地面的熱傳遞，還可以阻擋氣體的運動（對流），這意味著太陽內的能量不會輕易地流出。當發生這種情況時，被太陽表面上方氣體運動阻擋的地方開始冷卻，因此我們的眼睛看起來會更暗，我們看到了太陽黑子。這個過程可能發生在任何一顆恆星上，而在一些恆星，尤其是非常年輕的恆星，它們的「星斑」的出現和消失所導致得亮度是很大的，如果恆星旋轉、並且在恆星的幾個旋轉周期內存活，這些變化甚至可以是周期性的。
處於主序星後期的某些變星類型
主序星的末端被定義為恆星核心中，所有氫被轉換成「氦」的點，恆星核心中的核反應也隨之暫時停止。由於這些核反應提供的熱量和壓力，阻止了恆星的外層抵抗重力，導致了恆星必須重新調整自己以進行補償。該過程會在恆星內部和外部引起許多複雜的物理變化，並且，恆星的外觀也會在此期間發生明顯的改變。這顆恆星將成為一顆紅巨星，擴大直徑、增加光度和冷卻溫度。由於這些變化需要數百萬年，所以它們對我們來說並不明顯。但是當恆星經歷這些變化時，它們可能成為真正的變星，或者，如果它們目前是可變的，那麼變化可能會改變甚至完全停止。
那麼，處於主序後期的某些類型的變星是什麼？科學家們在HR圖（赫羅圖）的某些部分發現了許多變星，其中一個叫做不穩定條，它在HR圖中從右上角到左下角。當恆星位於不穩定條帶內時，它可能開始脈動，在所有恆星中，如果它們變得更熱或更冷，恆星內的某些層對輻射會變得更加不透明。當發生這種情況時，來自恆星內部的能量可能會被困在該層中，從而增加其溫度和壓力。如果該層位於恆星內恰好相同的深度，則該層可以像活塞一樣，以周期性的方式上下驅動恆星的外層。基於恆星建模可知，恆星可以在生命的某些部分位於這條帶內，這取決於它們的大小。
造父變星最重要的一點，則是它們完成一個脈動周期所需的時間、且與恆星的亮度或絕對亮度成正比。我們可以測量恆星的周期知道它的光度，這被稱為周期，即光度或PL關係。為什麼PL關係很重要？恆星的表觀亮度、距離和絕對亮度之間也存在簡單的關係。如果我們可以測量造父變星的表觀亮度，然後通過測量周期來確定其絕對亮度，那麼我們將知道到造父變星的距離。我們可以使用造父變星來測量銀河系內星團的距離，甚至測量到其他星系的距離，它為我們提供了校準宇宙大小測量的最佳方法之一。當然，許多類型的恆星都可以產生脈動，但並非所有類型的恆星都具有明確的周期，並且不穩定條帶外的大多數恆星都不是強大的常規脈動器。一些紅巨星是脈動變量，但沒有非常嚴格的周期，並且沒有大的振幅。事實上，科學家們需要更靈敏的設備來測量它們的脈動。
已知最早期的變星類之一AGB
如果有足夠的時間，所有的恆星最終都會耗儘自身的燃料，也是宇宙中絕大多數恆星都將經歷的一個生命階段。當它們膨脹到巨大的尺寸，甚至比地球和火星的軌道更大，並成為他們附近最明亮的恆星。而這些恆星被稱為漸近的巨型分支，或AGB恆星。該階段可以被認為是恆星演化的最後階段，因內部深層熱核反應產生的能量而閃耀，一顆恆星可能花費不到一百萬年的時間，就可以從紅巨星分支的末端發展到AGB的末端。這是人類時間尺度上的很長一段時間，但在一顆恆星的生命中卻非常短暫！除此之外，AGB上發生的一些變化不是發生在百萬年的時間尺度上，而是發生在幾個世紀或幾十年！
AGB恆星偶爾會發生被稱為熱脈衝的事件，其中核心周圍的「氦層」突然經歷熱核燃燒，導致恆星的結構、光度和溫度都發生較大變化。這些事件被科學家們稱為熱脈衝，並且預計它們會通過恆星演化的理論模型，出現在所有AGB恆星中，它們與恆星演化中的其他時間尺度相比發生得非常快，並且我們已經看到一些這些變化發生在極少數恆星中。AGB是已知最著名和最早期的變星類之一，而在在AGB之後，一顆恆星的壽命即將結束。隨著恆星的老化和更多的核心轉化為更重的元素，如氦、碳和氧。其氣體變得如此緻密、原子如此高度壓縮，以至於它們像正常物質一樣停止，這意味著單個原子的電子場不能像通常那樣使它們保持分離。當這種情況發生時，氣體的行為從根本上改變，並遵循退化的狀態方程。通過膨脹或增加壓力作為理想氣體，氣體不再能夠快速響應加熱，因此允許恆星保持其熱核燃燒的關鍵因素之一便是停止工作。
一顆核心處於這種狀態的恆星註定要在宇宙非常快地死亡，而這顆核心非常密集、非常小，且溫度很高，它被稱為白矮星。如果一顆恆星在這種狀態下具有核心，它將很快開始從其外層吹走物質，直到最終白矮星核心被暴露出來，也就是那顆恆星的剩餘部分。對於碰巧一顆恆星在這個過程中的探索者來說，發生這種情況的過程是非常引人注目。隨著物質從恆星流入太空，它在自然界中變得更加彌散，同時還會被恆星內部的熱恆星點燃，形成我們所看到的行星狀星雲。我們從生命末端附近的變星中學到的關鍵內容之一，就是恆星如何開始將它們的一些物質返回到它們周圍的空間，而這種被拋棄的恆星物質將在以後，構成氣體雲和新一代恆星的星系中的塵埃。古老恆星所散落的一些物質，將被再循環到新一代恆星中，因此，了解恆星的演化，也會告訴我們星系本身是如何演變的。