恆星不“恆”——簡談恆星的運動和位置變化
如果你視力極佳，在晴朗且無光污染的夜晚也許能在夜空中看到2500顆以上的恆星，而全天肉眼可見的恆星總數更是接近6000。古人們早已發現，與金木水火土五顆行星相比，絕大多數天體之間的相對位置似乎是永恆不變的，由此便有了“恆星”一詞。如今我們已經知道，只是恆星距離遙遠而使它們在天球上的運動不易察覺罷了。本文將簡略介紹恆星相對天球背景運動的三種方式：視差、自行和光行差。
一、視差
豎起一根手指放在眼前，分別閉上左眼或右眼，可以發現手指相對背景物體的位置有明顯不同，這便是視差的原理：在不同位置觀測同一物體產生的方向差異。這不同位置的兩點之間的連線是視差基線，兩點與目標連線之間的夾角是視差角。顯然，測得視差角後對距離的計算只是簡單的三角形問題，視差因此也被稱作三角視差。
地球繞太陽公轉時的位置不停變化，這就滿足了產生恆星視差的條件。日地距離是已知的，以日地平均距離1 AU作爲視差基線的恆星視差被稱爲周年視差。如圖1所示，由於恆星的距離普遍過於遙遠，視差π是極其微小的，此時的tanπ≈π，然後只需在地球軌道平面（黃道面）中找到一條垂直於該恆星方向的視差基線，恆星的距離便很容易得到：d=a/π。而我們又規定，周年視差爲1角秒（″）的天體的距離爲1秒差距（pc），約等於3.262光年。此定義的實用性使pc成爲了天文學中最常用的一種距離單位，在這種單位制下，只需對以角秒爲單位的周年視差取倒數，就能直接得到以秒差距爲單位的恆星距離。因爲距離越遠，視差現象越不明顯，所以只有較近的目標才能進行準確的視差測距，但2013年投入使用的蓋亞望遠鏡的測量精度達到10微角秒量級，能夠測出幾千秒差距內的恆星視差。
（圖1：恆星的周年視差）
在實際的視差測量中，對於空間內的任意一顆恆星，它與太陽的連線和黃道面之間應當存在一個夾角，也就是日心黃道座標系中的黃緯β。可以想象，隨着地球沿圓形軌道的公轉，地球和該恆星的連線會在天球上畫出一個橢圓的軌跡（黃道上的恆星的周年視差軌跡是一條線，北黃極附近的恆星的視差軌跡是一個圓）。這個視差橢圓的半長軸就是周年視差的大小，它對應了視差基線，而我們最多隻需等待任意半年便可通過對稱性繪製出整個視差橢圓，繼而使用視差法計算恆星的距離。
（圖2：空間中一顆恆星的視差橢圓）
除此之外，視差不僅僅可用於測量太陽系外恆星的距離，太陽系內天體也同樣適用。譬如根據金星凌日時地球上兩地點所見金星在太陽盤面上的位置不同，從而推算出金星的距離和軌道半徑；而從地球各地看的太陽也有視差現象，以地球半徑爲基線的太陽視差大約8.8″。
二、自行
與太陽一樣，銀河系的千億。空間中某顆恆星與太陽的相對速度是v，將它正交分解爲視向速度vr和切向速度vt，其中的切向速度反映了我們眼中恆星的移動方向，自行μ可以描述這一速度的大小，通常以角秒每年作單位。
（圖3：恆星的空間速度與自行）
觀測出自行的數值，再知道恆星的距離，切向速度就很容易計算了，如果進一步測出視向速度的大小，便能得到恆星相對太陽的真實的空間速度。視向速度的測量依賴於多普勒效應，運動中的光源發出的電磁波的波長會改變，遠離則變長（紅移），靠近則變短（藍移）。我們只需將恆星光譜中的各譜線與靜止譜線的波長作對照，即可計算出視向速度的大小和方向。
巴納德星是目前已知自行最大的恆星，這是一顆相距我們約6光年的紅矮星，正以每年10.3″的速度相對天球背景移動。圖3展示了從1985年到2005年間巴納德星的位置變動情況。
（圖4：巴納德星的自行現象）
三、光行差
光是有速度的，這就導致運動中的觀測者觀察到光的方向與靜止的觀測者觀察到的方向有偏差，即光行差。借用一個常見的比喻，人在雨中行走，儘管雨滴是垂直下落的，但跑動的人卻感覺雨是從前方傾斜而下的。光行差的原理與此類似，只是此時需考慮的不是經典力學的速度疊加原理，而是洛倫茲變換。
地球處於不斷的運動之中，自轉、公轉，甚至還包括跟隨太陽在銀河系中的運動，這些都讓我們在觀察遙遠光源時出現光行差現象，其中對實際觀測影響最大的是地球公轉造成的週年光行差。如圖3所示，θ是運動方向與光源方向的夾角，地球的運動使我們觀測到這一角度變成φ，光行差也就是θ-φ。
（圖5：運動方向與光行差示意圖）
地球繞太陽的公轉速度約29.8km/s，而當速度v遠小於光速c時，光行差的大小可以簡單地用vsinθ/c計算，當速度與光速垂直時，週年光行差有最大值20.5″。自轉產生的週日光行差比周年光行差小兩個數量級，而繞銀河系運動的光行差雖然較大但週期極長（2億年），短期內可不考慮。
與視差類似，恆星的週年光行差軌跡也是個以一年爲週期的橢圓，這是地球速度方向的週期性變動引起的，不同黃道座標的恆星，週年光行差的軌跡也會從圓形過渡到一條線段。而且最大20.5角秒的位置擺動比恆星的視差大得多。視差、自行、光行差三者疊加，使恆星在天球上的軌跡顯得複雜不規則，好在它們具有周期性和規律性，讓我們容易剔除和分析它們對恆星軌跡的影響。
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來源：APC科學聯盟
編輯：藏癡
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