關於「星等」的小知識

前言
古希臘人把天上的星星,依照明亮的程度,分成一等星到六等星,一等星最亮、六等星最暗。後來我們利用觀測儀器把恆星的亮度數值化,定義了每個星等之間的亮度是相差2.512倍。以上,是我們從國中就學過關於「星等」的概念。雖然後來也陸陸續續學了不少相關的知識,但是最近我又想到一個新問題,那就是:

當我們用儀器來觀測天體之後,雖然可以用「亮度的差異」定義出「星等的差距」,可是每一顆天體的星等究竟是跟「誰」比較的結果?這個亮度差異的「比較基準」是哪一顆天體呢?

話說從頭
早在西元前兩世紀的古希臘時期,就有天文學家希帕求斯(Hipparchus)將天空中總共1025顆恆星分類,把其中最亮的20顆恆星定為一等星,然後把亮度大約只有一半的恆星歸類為二等星,到最暗的六等星,則幾乎是肉眼可以看見最暗恆星的極限。這個分類在西元二世紀的時候,由另一位天文學家托勒密(Ptolemy)所出版,收錄在相當重要的著作—天文學大成(Almagest)這本書中。

到了十六世紀,丹麥天文學家第谷(Tycho Brahe)更進一步把「恆星看起來的大小」拿來當作恆星亮度的分類依據,越亮的恆星看起來就越大。等到望遠鏡被發明,天文學家更是仔細地以測量恆星的大小來代表其亮度差異。所以一直到十九世紀,恆星的亮度都還是以他們「看起來的大小」來區分星等。

十九世紀中期,天文學家利用視差法,估計恆星與地球的距離之後發現,恆星其實距離地球非常非常遙遠,所以每個恆星其實都可以視作一個點光源。也就是說,我們看見的恆星大小並不是真正的恆星大小,只是比較亮的恆星「看起來」比較大而已。

建立新標準
在1856年時,英國天文學家普森(Norman R. Pogson)在利用望遠鏡觀察恆星的時候發現,望遠鏡越大,就能夠看見越暗的恆星。如果他將望遠鏡的開口遮住一部份,較暗的恆星就會從視野中消失。於是他就一點一點地遮住望遠鏡的開口,比較出恆星和恆星之間的亮度。他發現,星等相差五等的恆星,亮度大約相差100倍,於是建議把每一個星等之間的亮度差,定義為100的1/5次方,也就是2.512倍。

至於恆星亮度之間比較的基準,最初是以北極星為二等星當作基準來做比較。後來由於觀測技術的進步,發現北極星有亮度上的變化,因此又改以織女星為零等星當作基準。但是織女星的亮度終究也不是固定不變的,所以近代對於恆星亮度的比較基準,還有更多討論正在進行當中。

現行的觀測
由於電荷耦合(感光)元件(Charge-coupled Device, CCD)的發明,恆星亮度的量測變得非常直覺。於是科學家進一步發現,由於恆星在不同波長所輻射出來的能量大小不盡相同,亦即感光元件的感應波段範圍會影響到亮度觀測的結果。因此目前定義恆星亮度的觀測大多是以UBV波段為主,U代表紫外線波段(約350nm)、B代表藍光波段(約435nm)、V代表可見光中央附近波段(約555nm)。其中V波段最接近人類肉眼的觀測,一般在報導視星等的觀測結果時如果沒有特別強調,通常就是V波段的觀測結果。

而某些較低溫的恆星,其輻射能量主要集中在紅外線波段,若是採用上述的波段進行觀測,就容易低估這些恆星的發光能力。

結語
其實這個問題已經困擾我好幾年,可能就是因為覺得答案一定很容易找到,反而一直沒有動手去查。今天終於去把答案找出來,某種程度上有種鬆了一口氣的感覺!但是一如往常,找到一個答案,往往意味著又有更多的問題出現啊~

參考資料
Wikimedia. (2011.12.16). Hipparchus. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Hipparchus
Wikimedia. (2011.12.16). Ptolemy. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Ptolemy
Wikimedia. (2011.12.16). Almagest. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Almagest
Wikimedia. (2011.12.16). Tycho Brahe. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Tycho_Brahe
Wikimedia. (2011.12.16). N. R. Pogson. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/N._R._Pogson
Sizes, Inc. (2011.12.16). magnitude (of stars, in astronomy). Retrieved from http://www.sizes.com/units/magnitude_stellar.htm
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volume 17, page 12.
J. B. Hearnshaw. The Measurement of Starlight: Two Centuries of Astronomical Photometry. New York: Cambridge University Press, 1996.
Michael Hoskin, The Cambridge concise history of astronomy, Cambridge, Cambridge U. Press, 1999, page 258.
Jean Louis Tassoul, Monique Tassoul, A concise history of solar and stellar physics, Princeton, Princeton U. Press, 2004, page 47.
Astronomical Photometry: Past, Present, and Future by Eugene F. Milone, Springer, 2011, pages 182-184.
Wikimedia. (2011.12.16). Charge-coupled device. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
Wikimedia. (2011.12.16). Magnitude (astronomy). Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Magnitude_(astronomy)
Wikimedia. (2011.12.16). Apparent magnitude. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Apparent_magnitude

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