神秘的北極星——為甚麼它能指示北方?北極星永遠是現在這顆嗎?

云墨拾遗
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329 觀看·2025年9月22日
🌌 在夜空中,有一顆最特別的星,它似乎永遠停駐在北方,被稱為“航海者的指路明燈”。但它真的一直不變嗎?為甚麼偏偏是它能成為方向的象徵?而在未來,它還會繼續守護我們嗎?——這一切的答案,就藏在本期視頻里。
爲什麼科學家一直對北極星摸不着頭腦
從遠處看 這顆星在夜空中的位置幾百年來都沒變過 穩穩當當的給我們指路 可一旦湊近了觀察
它的一舉一動就變得又奇怪 又讓人費解 看得越細越覺得琢磨不透
北極星的實際表現和我們用恆星模型算出來的結果根本對不上 就連測個基本數據都難得離譜
接下來 咱們就一起扒一扒這顆神祕恆星所有的已知和未知
跟着我一起揭開北極星隱藏的祕密 看看它爲什麼能指向北方
以及爲何每26,000年就會變換一次位置 想象一個沒有月亮的深夜 你抬頭一看
立馬認出了大熊座 就是裏面有北斗七星的那個星座 七顆星連起來像個勺子 順着北斗七星最末端的兩顆直極星
往上找 很快就能看到夜空中一顆特別亮的星 那就是
北極星 它幾乎正好對着地球自轉軸的北端 所以別的星星看着都在天上轉圈的時候 就它一動不動的呆在那
在北極地區 北極星差不多就在頭頂正上方 等你往南走
它在天上的位置會慢慢變低 到了南半球就徹底躲到地平線下面看不見了
咱們雖說一直靠北極星找路 但北極星本身可比誰想的都要神祕複雜
在地球上看 它就像個孤零零不挪窩的小光點 除非你用望遠鏡瞅1779年
威廉赫歇爾發現了北極星的一個小夥伴 北極星b他在一條很寬的軌道上
繞着北極星轉過了120年
到1899年 天文學家威廉華萊士坎貝爾發現北極星a的鏡像速度老在變
這說明它可能還有一個半星 而且這顆半星用肉眼根本看不見 1929年
一項光譜研究證實了這個猜測 可直到2006年我們才靠哈伯望遠鏡第一次拍到了
這第三顆半星北極星ab的照片 這三顆星被引力綁在一起 組成了一個
三星家庭 其中最亮的那顆北極星a a
就是我們平時說的北極星
它是一顆已經進入演化後期的黃色超巨星 質量是太陽的5 13倍
直徑是太陽的46倍 要是把它放到太陽系裏 它的邊緣能超出水星軌道一半的距離
最近的時候能到28億公里遠 北極星ab和北極星a a湊成一對雙星
每29 6年繞着彼此轉一圈
第三顆星北極星b則繞着裏面這對雙星轉 轉一圈得花大約4萬年
離裏面這對雙星的距離有3860億公里 這麼說吧
這差不多是旅行者一號探測器飛了48年後和地球距離的24倍
北極星b和北極星ab都是黃色白矮星 亮度比主星北極星a a暗了大概500倍
其中北極星b的質量是太陽的1 39倍
北極星ab的質量稍小一點 只有太陽的1 26倍 但說真的
三星系統還算不上北極星最神奇的地方 它的主星
北極星a a屬於一種特別少見的造父變星 這種星可是我們畫宇宙地圖的關鍵
1908年天文學家亨利埃塔萊維特
在哈佛大學天文臺研究小麥哲倫星雲時
專門盯着造父變星看 這類星處在恆星演化的一個特殊階段 會有規律的變亮變暗
啥時候亮 啥時候暗 特別好預測 萊維特發現了一個規律 造父變星
月亮完成一次亮暗亮的脈動週期需要的時間就越長
這個發現可太重要了 一下子讓造父變星成了標準手電筒
我們只要測測它脈動一次要多久就能知道它真實的亮度 知道了真實亮度
再看它在地球上看着有多亮 就能算出它離我們有多遠
這就像你知道一個手電筒的真實亮度後 看它照過來的光牆就能判斷它離你多近一樣
也正因如此 造父變星成了天文學家口中宇宙距離階梯的關鍵一級
幫我們測量宇宙裏各種天體的距離 在發現這個亮度和週期的關係之前
人類只能靠恆星視差測幾百光年內的天體距離
有了這個發現 科學家一下子能測幾百萬光年內星系之間的距離了
現在我們可以先用視差這類近距離觀測方法較準星系距離
再靠造父變星測其他星系的距離
反過來又能較準更遠的距離標記 比如一安培型超新星
北極星是離地球比較近的造父變星
按理說它應該是天文研究的相波波 靠它能較準宇宙的大小
年齡和未來走向從仙女座星系有多遠到宇宙膨脹的有多快都能算得更準
可是偏偏沒這麼簡單 關於宇宙膨脹速度到底是多少
科學家們至今沒炒出個結果 一種方法算出來是每百萬秒差距73公里每秒
另一種方法算出來是每百萬秒差距67公里每秒
而且北極星本身還有不少讓人捉摸不透的地方
首先是它的亮度不穩定 科學家發現從20世紀60年代到90年代
它最亮和最暗的時候 亮度差距慢慢變小
從超過0.1星等降到了0.05星等以下 之後差距穩定了一陣子
到2000年又開始變大 這種亮度變化的路子別的造父變星身上從來沒見過
更讓人驚訝的還不是亮度變化的幅度 而是它的脈動週期
我們觀測北極星的150年裏
它脈動一次大概要4天 而且每年都會多花4.5秒 對造父變星來說
這個週期變化速度快的離譜 說明北極星正在快速長大 演化的特別快
天文學家猜北極星AA可能正在進入自己演化過程中的一個不穩定階段
其實所有恆星離開主續星階段時都會經歷一段不穩定期
但不是所有恆星都會變成造父變星 一顆恆星最後會變成哪種脈動星
要看它的質量 亮度 脈動週期這些特點 大多數造父變星一輩子會經歷三次大的不穩定期
第一次不穩定期來的特別快 只持續1萬到10萬年 一般是恆星核心的青
燒完了離開主續星階段 開始往紅巨星或超巨星方向演化的時候出現
這個階段研究的最少 因爲它實在太短了 一晃就過
第二次不穩定期是恆星核心開始燒害的時候 這時候恆星會慢慢穩定下來
核心燒的更熱 顏色也會變得更藍
這個轉變過程能持續10萬到1000萬年 等恆星把核心的害也燒完了 就會再次膨脹
進入第三次不穩定期
這個階段持續的時間和第二次差不多 我們現在看到的大多數造父變星都處在第二次或第三次不穩定期
所以他們的行爲還算好預測
但要是在造父變星第一次進入不穩定期時就觀測到它 那就太少見了
人類對這個階段的造父變星幾乎沒什麼瞭解 現在科學家們也沒達成一致
有人說北極星AA在第一次不穩定期 也有人說它肯定在第三次 可就在大家琢磨理論解釋它的週期變化時
北極星突然反着來了 從2010年開始 它的脈動週期每年都在變短 一年又一年都是這樣
沒人知道爲啥 我們猜可能是北極星AB和它運行到最近距離時引力干擾了它
但目前也沒個準信 不過比周期變化更根本的問題是
要想完全搞懂北極星的特點 我們還缺一個關鍵線索
這個線索說起來簡單 得讓人不好意思 但要解決它難如登天 你可能覺得現在科技這麼發達
測測北極星離地球多遠還不簡單 可實際上因爲好多因素 這事比你想的難多了
首先 北極星離地球有幾百光年遠 恆星離得越遠 它的視差位移就越小
舉個例子 20世紀90年代 依八股衛星測出來 北極星的視差只有0.0075四角秒
相當於29,410的-6次方度 這麼小的移動你根本沒法想象
而且北極星太亮了 亮到能讓我們的探測器過載測出來的數據不準
再加上它是一顆會脈動的造父變星 還有近距離的半星搗亂
這些都讓靠亮度算距離的方法變得特別複雜 各種問題堆在一起
北極星離地球到底多遠 至今沒個準數 現在估計的範圍在323光年到520光年之間
科學家們誰也說服不了誰 比如18股衛星算出來是434光年
歐洲空間局的蓋亞衛星最近測出來是447光年 連距離都定不下來
我們想算北極星的質量 半徑 亮度這些屬性就更難了 我之前說的北極星質量和半徑
都是根據蓋亞衛星的數據算的 可要是換一套觀測數據 算出來的結果能差老遠
更糟的是 我們算出來的北極星年齡 質量和脈動週期
跟現有的恆星演化模型完全對不上 而且沒人知道爲啥 比如北極星aa的質量比我們預想的小多了
年齡也比他的半星北極星b年輕不少 關於這個年齡差 咱們後面再細說 有一種可能是
恆星演化模型本身有侷限 你想啊 所有恆星都在自轉 自轉對恆星的結構
演化和脈動行爲影響特別大 可模擬恆星自轉太難了 裏面有好多不知道的因素
所以好多研究人員沒把自轉這個關鍵因素放進模型裏 對北極星aa這種恆星來說
模型少了這個因素 算出來的演化結果自然就會有偏差 還有一種可能是
北極星aa在演化過程中丟了質量
可能是通過恆星風 也可能是和半星相互作用的時候丟的
丟質量或許能解釋他脈動週期爲啥變得這麼快 也能解釋爲啥和模型對不上
研究人員想算他丟質量的速度 有些研究說他每年丟200億億千克 可到現在也沒多少靠譜的證據
能證明這事 最後2024年用恰拉陣列觀測的時候 在北極星aa表面發現了巨大的恆星黑子
這些黑子說明北極星aa有磁場 而磁場也可能影響他的脈動
要是我們在研究這類恆星的演化和行爲時 沒考慮到磁場這種關鍵因素 那造負變星這個標準
手電筒的準確性就會受影響 要是我們對造負變星的模型錯了
那我們畫的宇宙地圖不也跟着錯了嗎 很明顯
北極星的脈動正以一種神祕的方式變快 可我們連他離地球多遠都沒搞清楚
這逼着我們重新看看現有的恆星演化模型到底對不對
但這還不算完 北極星還有一個大謎團 還記得咱們之前說的年齡差嗎
要是北極星a和北極星b真相觀測到的那樣
被引力綁在一起 那他們很可能是同一時間形成的
年齡按理說應該一樣 可我們觀測到的情況正好相反
假設北極星aa離地球447光年
那它的年齡大概是5000萬年 但北極星b的年齡算出來居然有20億年
這到底是怎麼回事 有幾種理論想解開這個謎 一種說北極星b根本不是北極星a的半星
可現在有好多證據反駁這個說法 另一個更有意思的想法
和我們從20世紀50年代就知道的一種現象有關 球狀星團是一種恆星特別密集的天體
桑德齊給這類星起了個名叫蘭裏散星
我們覺得蘭裏散星是雙星系統裏兩顆星合併成一顆的結果
合併後的恆星看着就比實際年齡年輕 北極星aa說不定就是這樣
它可能和原本離它很近的另一顆星撞在一起 合併成了一顆
所以才顯得年輕有活力 雖然這個合併的說法現在還只是猜測 但也能看出來
北極星系統正在挑戰我們對恆星演化和雙星形成的認知
直到現在 這個年齡差還是北極星系統最大的未解之謎之一
雖然現在北極星是我們的極星 但它不會一直站着這個位置
地球的自轉軸會像陀螺那樣晃悠
所以天極會在天上繞着一個圈移動 先後指向不同的恆星
大概1.4萬年前 天極指向的是明亮的織女星
再過大概1.2萬年 天極會再次指向織女星
幾千年來 北極星一直指引着人類跨越海洋和沙漠
而現在 它正用另一種方式指引我們
逼着我們面對那些關於恆星 宇宙 甚至人類科學認知極限的未知
等蓋亞衛星下一輪觀測數據發佈
說不定我們終於能搞清楚這個讓人摸不着頭腦的恆星系統到底是怎麼回事了
