變化是宇宙永恆的主題。
NASA / ESA
「存在的意義在於改變。」——威拉德·奧曼·奎因
恆星之所以被稱為恆星，是因為人們以為它們是永恆不變的。在幾十億年的時間裡，它們都以相同的速率，有條不紊地消耗著核燃料。只有當生命接近尾聲時，恆星才會變成巨星，開始燃燒新的燃料，並最終死去。
但是對於很多恆星來說，「變化」是它們生命中不可或缺的一部分。下面這段由歐洲空間局發布的視頻，展現了著名的變星「船尾座RS」——在一段時間內的發生的變化。通過周圍物質反射形成的「回光」，我們可以對「變星」有一個非常直觀的印象。
變星的歷史
古人認為，天上的星辰都是永恆不變的光點。只有偶然的災難性事件——如新星或超新星爆發——才會產生一個暫時出現的明亮天體。這類事件是極其罕見的。通觀人類歷史，裸眼可見的新星或超新星屈指可數。因此絕大部分恆星的位置和亮度是不變的。
然而也不盡然。
紫外波段上的蒭藁增二（Mira）。NASA / GALEX
1596年，德國天文學家大衛·法布裡修斯相信自己發現了一顆新星。8月，他在天空中發現了一個亮點；10月，這個亮點消失了。但是1609年這個亮點又再次出現了。這令他十分震驚，因為這不像一般新星的表現。
法布裡修斯發現的不是新星，而是蒭藁增二，一顆變星。
對於變星，起初人們認為是極其罕見的。兩個世紀發現的變星加起來不超過10顆。但是當天文攝影術出現後，變星的數量開始猛增。天文學家通過比較恆星在幾天、幾星期、幾個月甚至幾年內的視亮度變化，可以對它們進行相當精確的測定。
安妮·坎農（左）和亨麗愛塔·勒維特（右）。哈佛大學天文臺
十九世紀90年代早期，有一位就讀於當時的「女性大學教育協會」，亦即後來的拉德克利夫學院的女性。這位名為亨麗愛塔·勒維特的年輕女性在1893年受僱於哈佛大學天文臺，對記錄恆星亮度的感光板進行測量和分類。她用了20年時間，在小麥哲倫雲內發現和收錄了各類變星1000多顆。
NASA / ESA
勒維特發現，變星中的一種似乎相當有意思。這些名為「造父變星」的傢伙平均亮度越高，變化周期就越長；亮度越低，變化速度就越快。也就是說，它們的平均亮度和變化周期間存在著明確的對應關係。
這種關係後來被稱為「周光關係」，在天文學上有相當重要的意義。
NASA / ESA
科學上的意義
由於這些小麥哲倫雲中的造父變星離地球非常遙遠，而且密集地聚集在一起，可以認為它們與地球的距離是相同的。因此它們的視亮度可以直接反映它們的固有光度。
假如變星的周期和亮度有關，那麼只要測定周期，就可以獲知它們的固有光度。由於亮度與距離有關，因此只要測定視亮度，就可以獲知它們的距離。
造父變星因而被稱為「標準光源」。
卡內基天文臺
由於有勒維特的貢獻，我們才有能夠對浩瀚宇宙進行測量的標準光源。由於有埃德溫·哈勃1920年代在「旋渦星雲」中發現的許多變星，我們才有機會獲知這些遙遠星系的距離。
NASA
變星還可以根據顏色和亮度分為許多類型。除了勒維特發現的造父變星外，還存在著許多低質量、短周期的天琴座RR變星，紅巨星變星（如蒭藁增二）和脈動白矮星等。
大部分變星的周期和絕對星等間存在著明確的對應關係，因此無論它在哪裡，我們都能夠精確地計算出它和地球間的距離。
物理成因
變星亮度的變化並不是核聚變反應的變化導致的。光子從恆星內核產生，到抵達表面，差不多要用去10萬年時間。所有已知變星的核聚變反應速率都是恆定的。變星形成的原因，在於它們的外層結構。
Fahad Sulehria
光子從恆星的光球層離開恆星，從物理學角度來講，這是一個非常特殊的地方。對於一棵穩定的恆星來說，光球層也必然是穩定的。恆星產生的輻射壓，能夠抵消引力作用。我們的太陽就幾乎如此。但是即便是太陽這樣「乏味」的傢伙，這種「平衡」也並非十全十美。
Michael Richmond
所有恆星的外層都處於對流之中。物質不停地上升和下沉，這樣的體系永遠無法達到一種真正的平衡。
G. Scharmer / 洛克希德-馬丁太陽天體物理實驗室
在這樣的循環中，恆星會因為輻射壓過大而發生膨脹，物質由此向外遠離恆星中心。物質的離開導致引力下跌，但輻射壓下降得更快，於是膨脹停止。當引力大於輻射壓後，恆星開始向內收縮。恆星一旦收縮，輻射壓又將佔據上風，恆星再次膨脹。如此周而復始。
對於太陽來說，這種變化的幅度僅在0.1%左右。但是對於變星來說，變化的幅度可以達到90%以上！在每個循環周期內，蒭藁增二固有亮度的變化可以達到一千倍，半徑的變化可以達到數百萬公裡，溫度的變化可以達到幾千至幾十萬度。
這就是變星產生的物理原因。
Ethan Siegel / 老孫
商業轉載須獲授權，非商業轉載請註明出處、作者、譯者