星星(Star)田徑賽

星星(Star)田徑賽
國立台灣師範大學地球科學系傅學海副教授責任編輯

田徑賽一直是體育競賽中，最引人注目的項目之一，跑得最快的人常成為運動明星。天上所有的星星竟然也在運動，相信一定讓許多人驚訝不已。其中最受矚目的當然是「看起來」移動的最快的一些恆星，目前已知最快的金牌、銀牌、銅牌分別為的當屬巴納德星（Barnard’s star）、凱普頓星（Kapteyn’s star）、古陸門布雷吉1830（Groombridge 1830，為了簡潔後文稱為「古氏1830」）。

人類進入文明以後，仰望星空也有數千年之久，一直都認為恆星是不動的，就像印在傘面上的圖案一樣。直到西元1718年，英國天文學家哈雷將自己在南半球的觀測數據與西元150年扥勒密星表比對，發現許多恒星彼此間的相對位置有變化，其中天狼、大角與南河三（Sirius、Arcturus與Aldebaran）的變化最明顯，超過半度以上，這才發現恆星是會運動的，稱為恆星「自行」（proper motion）。

恆星「自行」這個名詞打破了兩千多年來的想法，並改變了恒星的原始定義。此後，天文學家辛勤的觀測恆星的自行，希望獲得一些重要的參數，藉此了解太陽與恆星在銀河系中的運動。目前，天文學家已經登錄了全天數億顆恆星的座標與星等，也有數百萬顆恆星測量了它們的自行。例如第谷第二星表（Tycho II）共包含了兩百萬顆恆星的自行數據。

恆星自行

在二十世紀初期，天文學家已經了解「所有的星星都在運動，在銀河系中的所有星體都繞著銀河中心運轉」。從地球望出去，觀察其他恆星的運動；就像坐在一輛高速汽車裡，看周圍其他車輛一樣。有些車子飛快掠過、揚長而去，有些車子被拋在後面，更多的是與我們車速差不多的車輛。

不過，有兩件事要特別說明。
（一）恆星「自行的方向」與「視線方向」垂直；也就是說，如果一顆恆星沿著視線方向朝著地球直奔而來（或遠離而去），
則它的自行為零。
（二）「自行」是角度的測量，而不是速度的測量。恆星「自行」是恆星運動在天上的投影角度；因此，如果觀測到兩顆恆星
的自行一大一小，我們不能確定自行「大」的恆星移動的「快」、自行「小」的恆星移動的「慢」；因為這顆恆星可能
移動的快，但是距離遠，所以自行小。

簡單的說，「自行」一詞是指恆星在天球（與視線方向垂直）移動的角度。如果知道一顆恆星的自行與距離，才能算出它在天球上移動的速度。如果，又知道它的「視線速度」，就能知道這顆恆星在太空中運動的真正速度。

在滿天的繁星中，有些稱為高自行（high proper motion）恆星。通常，恆星一年移動的角度超過0.4角秒（″），就屬於高自行恆星。其中，巴納德星是目前已知自行最快的恆星，每年在天空中移動10.29″。
在談到角度時，一般人大都知道一個圓周有360度，1度有60分，一分有60秒。用符號表示則為
1° = 60′
1′ = 60″
為了避免與時間的「分」、「秒」混淆，此處將「′」譯為「角分」、「″」譯為「角秒」，分別表示角度單位中的分、秒。一角秒的角度有多小呢？可以用一個實例來說明，一元硬幣的直徑是兩公分，將一元硬幣放在一公里遠處，那麼一元硬幣直徑兩端與眼睛連線的夾角，大約是一角秒。由此可知，恆星每年移動的角度是十分小的。

巴納德星

美國天文學家巴納德（Edward Emerson Barnard，1957-1923）拍攝了許多星野影像，在比對1894年與1904年兩幅照片時，在蛇夫座發現一顆移動快速的暗星，亮度只有9.56星等。稍後追溯至1888年皮克林（E. Pickering）所拍攝到同一天區的影像，更確定了它的快速移動。

在距離地球最近的群星中，巴納德星排名第二，距離只有5.97光年，僅次於距離為4.3光年的人馬座毗鄰星。巴納德星是一顆紅色的矮星（主序星），其光譜與光度類型為M3.8V，表面溫度大約是攝氏2700度；總光度只有太陽的兩千五百分之一。

依據巴納德星的距離與自行，可以推算出它正以每秒鐘約140公里的速度（時速約五十萬公里）在靠近我們。

凱普頓星

在星空中移動第二快的凱普頓星，自行量每年8.7角秒。它位於繪架星座，是一顆非常黯淡的紅色次矮星（sdM1.0/VI），亮度為8.85星等，發出的光度不到太陽的萬分之一。它距離地球約12.8光年，大小與質量都比太陽小，直徑只有太陽的28%左右，質量只有太陽的40%左右。

這顆星是凱普頓（Jacobus Cornelius Kapteyn，1851-1922）在1897年所發現的。他因為沒有望遠鏡可以使用，自願測量吉爾（David Gill ，1843-1914）所拍攝玻片上的恆星位置與亮度。吉爾在南非好望角的英國皇家天文台進行天體攝影工作。這份觀測結果集結成包含南天星空454875顆恆星的星表。

後來發現凱普頓星的亮度會變化，所以也有一個變星的編號（繪架座VZ）。

天文學家分析凱普頓星的光譜，發現它的金屬豐度很少，比太陽的金屬豐度三分之一還少，顯示它與太陽出身不同，是屬於銀暈中的恆星。光譜顯示，它比同溫度的主序星比起來，明顯偏藍。

古氏1830

許多人常把北斗七星當作大熊星座。其實，北斗七星只是大熊星座的臀部與尾巴，只佔了整個大熊星座的四分之一。大熊星座的故事膾炙人口，其中有一顆橙黃色的暗星，在星空中快速的移動著，因此早在一百多年以前便吸引了天文學家的注意，這顆快速移動的暗星稱為谷氏1830，在今天高自行恆星排行榜上名列第三。

當谷陸門布雷吉（Stephen Groombridge，1755-1834）在1838年出版《拱極星表》（A Catalog of Circumpolar Stars）後，阿格藍德（Friedrich Wilhelm August Argelander，1799-1875）注意到這顆星有異常大的自行，使它成為天文學家持續追蹤的天體之一。

谷氏1830是一顆橙黃色的暗星，距離29.9光年，天文學家將它歸類為一種少見的次矮星（subdwarf），重金屬含量稀少，含量約為太陽的百分之幾。

美國史珀勞（Sproul）天文台的藩丹凱珀（Peter van de Kamp，1901-1995）在1968年觀測到谷氏1830所發出的閃焰。當時認為閃焰來自看不到的黯淡伴星，但是在其他觀測中一直無法觀測到預期中的伴星，後來認為它應該是一顆亮度會快速變化的變星，因此在1980年以後，給它取了一個變星的名號：大熊座CF星（CF UMa）。在1974年與1984年間，天文學家觀測這顆恆星的光譜，無法發現它的徑向速度有任何改變，隨後的天文幾何觀測也無法測到這顆星的位置有何擾動，甚至使用紅外線散斑（speckle）干涉技術也無法偵測出有任何伴星。因此有天文學家在一1998年的觀測後，建議古氏1830是一種會發出「超級閃焰」（superflares）伴隨著物質噴出的太陽型恆星。

在恆星的世界中，有許多奇妙性質的星星，自行最快的恆星並不一定是在太空中移動最快的恆星。因為自行只是恆星運動在天球上的投影速度（與視線方向垂直），並沒有包含視線方向的速度（稱為徑向速度）。一顆恆星可能自行很小，但是徑向速度很大；也可能自行不大、視線速度也不是最大，但合起來的真實速度卻很大。我們所探討的的是恆星自行方面的競賽，而不是徑向速度或真實速度的競賽。因此要說恆星的競賽三傑，還有得爭論的。

參考文獻與網頁：
Edwin B. Frost，1923，Edward Emerson Barnard，Astrophysics Journal，58，pp1-35。
Edward Emerson Barnard，1916，A small star with large proper-motion，Astronomical Journal, 695, pp181-183。
Robert K. Aitken，1923，Edward Emerson Barnard，PASP，35，pp87-94。
Sidney D. Townley，1917，Address of the Retiring President of the Society in Awarding the Bruce Gold Medal to Mr. Edward Emerson Barnard，PASP，29，pp77-87。
http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceM … index.html
http://www.solstation.com/stars/barnards.htm
http://www.rssd.esa.int/Hipparcos/properm.html