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巴纳德星

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巴纳德星（英语：Barnard's Star）是一颗质量非常小的红矮星，位在蛇夫座β星附近，蛇夫座66星的西北侧，距离地球仅6光年远。美国天文学家爱德华·爱默生·巴纳德在1916年测量出它的自行为每年10.3角秒，是已知相对太阳自行最大的恒星[15]。为纪念巴纳德的发现，后来称这颗恒星为巴纳德星。巴纳德星距离太阳1.8秒差距（6光年），是蛇夫座内距离我们最近、宇宙中第二接近太阳的恒星系统，也是第四接近太阳的恒星，前三接近太阳的恒星都是半人马座α系统的成员。尽管它如此的接近地球，但是人类裸眼仍然看不见巴纳德星。

巴纳德星

巴纳德星于2006年的位置，此角度下南方位于上方
观测资料
历元 J2000.0
星座 蛇夫座
星官
赤经 17h 57m 48.4997994s[1]
赤纬 +04° 41′ 36.1113542″[1]
视星等（V） 9.511[2]
特性
光谱分类M4Ve[1]
视星等 (B)~11.24[1]
视星等 (V)~9.511[1]
视星等 (R)~8.298[1]
视星等 (I)~6.741[1]
视星等 (J)~5.24[1]
视星等 (H)~4.83[1]
视星等 (K)~4.52[1]
U−B 色指数1.28[3]
B−V 色指数1.74[3]
变星类型天龙座BY型变星
天体测定
径向速度 (Rv)-110.6 ± 0.2[4] km/s
自行 (μ) 赤经：-798.71[1] mas/yr
赤纬：10337.77[1] mas/yr
视差 (π)545.4 ± 0.3[注 1] mas
距离5.980 ± 0.003 ly
(1.834 ± 0.001 pc)
绝对星等 (MV)13.22[3]
详细资料
质量0.144[5] M☉
半径0.196 ± 0.008[6] R☉
亮度 (bolometric)0.0035[7] L☉
亮度 (visual, LV)0.0004[7] L☉
温度3,134 ± 102[7] K
金属量太阳的10-32% [8]
自转130.4 d[9]
年龄~1.0 × 1010[10] 年
其他命名
“巴纳德逃亡之星”[11][12],“夜空中的长途客运”[11]，BD+04°3561a, GCTP 4098.00, Gl 140-024, Gliese 699, HIP 87937, LFT 1385, LHS 57, LTT 15309, Munich 15040, Proxima Ophiuchi[13], V2500 Ophiuchi, Velox Barnardi（意思为巴纳德的一只雨燕）[14], Vyssotsky 799
参考数据库
SIMBAD资料
ARICNS资料

由于它相当接近太阳，而且位于容易观测的天球赤道附近，所以M型矮星巴纳德星比任何恒星受到天文学家更多的研究和注意[7]。天文学家的研究曾经聚焦在恒星的特征、天体测量和推敲系外行星可能存在的极限。虽然这是一颗古老的恒星，天文学家仍然观测到巴纳德星发生过耀斑爆发。

天文学家曾对这颗恒星的一些研究题材发生争议。从1960年代初至1970年代初长达十年之久，天文学家彼得·范德坎普（Peter van de Kamp）曾声称有一颗巨大的气体行星环绕着巴纳德星，一些天文学家也接受他的说法。天文学家后来认为恒星附近可能存在类似地球的小型行星，所以巨大行星存在的可能性就大为降低，范德坎普的主张被推翻。天文学家十分注意这颗恒星，它是无人旅行到邻近的恒星系统可以快速前往研究的一个目标。

因为巴纳德星拥有几点与众不同的特征，所以它成为天文学家相当瞩目的恒星。巴纳德星是目前所有已知恒星中自行运动最快的恒星，因此有时候也被称为巴纳德“逃亡之星”（Runaway Star）[16]，它的自行速度比大熊座的飞行之星快一倍。恒星通常每年的自行速度还不到1角秒，牧夫座大角星自行运动算是比较明显的，但是一年也不到2角秒，而巴纳德星每年的自行运动却高达10.31角秒。巴纳德星距离太阳系只有5.96光年，除了南门二系统（半人马座α三合星）外，它是距离地球最近的恒星。巴纳德星最吸引人的地方是这颗恒星周围很可能有两颗大小约等于木星和土星的行星围绕它公转，是一个距离地球很近的恒星系，最近确认它至少有一颗大的类地行星反而使人喜出望外。

数据

 
巴纳德星从1985-2005年的位置（每个位置间隔五年）。
 
从20,000年前至未来80,000年间最接近地球的恒星

巴纳德星是一颗M4型的黯淡红矮星，观测者必须使用望远镜才能看见。它的视星等为9.54等[1]，与全天最亮的恒星天狼星（-1.5等）和裸眼能看见的最暗星（+6.0等）相较之下（亮度的关系是以对数计算），9.54等的巴纳德星亮度只有6等星的1/27。

巴纳德星的年龄介于70亿至120亿年之间，不仅比太阳古老，天文学家还认为它可能是银河系中最古老的恒星[10]。它已经失去了大量的转动能量，光度的周期变化显示巴纳德星自转一周需要130天（相较之下太阳只需要25天）[9]。因为巴纳德星是一颗古老的恒星，所以长久以来都被假设是一颗休眠期中的恒星，但是天文学家在1998年观测到一个强烈的恒星耀斑，所以巴纳德星其实是一颗耀星[17]。巴纳德星也是一颗变星，标示为蛇夫座V2500。

自行运动是天体在天球上对应的横向速度（相对太阳的“横向”移动），巴纳德星的自行速度是90公里/秒，相当于每年在天球上移动10.3弧杪，所以这颗恒星在人的一生中可以移动四分之一度，相当于满月视直径的一半[18]。

巴纳德星的径向运动朝着太阳接近，所以天文学家可以观测到蓝移。目前有两份星表列出巴纳德星的径向运动数值：SIMBAD是每秒106.8公里；ARICNS是每秒110.8公里。天文学家将这些测量值与自行运动一起考虑后，认为它在太空中朝着太阳的相对速度是每秒139.7公里或142.7公里[注 2]。天文学家根据巴纳德星朝向太阳移动的速度推算，它将在公元9,800年时最接近太阳，届时距离为3.75光年[5][20]，但是当时最接近太阳的恒星是比邻星，因为它将会移动到比巴纳德星还要更接近太阳的位置[21]。令人失望的是届时这颗星依然很黯淡，视星等只有8.5等，裸眼仍然看不见它，之后它又将稳定的远离太阳。

巴纳德星的质量大约是太阳质量的14%[5]，半径是太阳的15-20%[7][22]。虽然它的质量大约是木星质量的180倍，但是半径只比木星大1.5至2倍，所以这颗恒星与一颗棕矮星的大小相当。它的有效温度是3134（±102）K，视亮度是太阳亮度的4/10000，总亮度相当于34.6/10000[7]。因为它是如此暗淡，如果把它放在太阳的位置，巴纳德星的亮度也只有满月的100倍，与站在距离太阳80天文单位的位置来观测太阳相当[23]。

可能的行星系统

从1963年开始10年之间，有为数众多的天文学家接受彼得·范德坎普的观点：其声称观测到巴纳德星自行运动上的摄动，显示它拥有一颗或数颗比木星更大的行星[24]。他从1938年就开始观测这颗恒星，并与斯沃斯莫尔学院天文台的同事企图以微尺从摄影干板上测量它的位置变动，与行星一致的轨道摄动，以证明它有行星级伴星的存在。他曾动用十个人测量巴纳德星在干板上的位置，避免系统或人为的误差产生[25]。范德坎普最初建议有一颗1.6木星质量的行星，以4.4天文单位的椭圆轨道绕行着巴纳德星，并在1969年以论文明确的提出这些观测结果。他在同一年稍晚提出巴纳德星拥有两颗行星，质量分别为1.1和0.8木星质量[26]。

 
艺术家的想像图：一颗在轨道上环绕着红矮星的行星。

其他的天文学家接着重复进行范德坎普的观测，并在1973年发表了两篇重要的论文否定巴纳德星附近存在着一颗行星或数颗行星。天文学家盖特伍德（George Gatewood）和埃克霍恩（Heinrich Eichhorn）在不同的天文台使用新的干片测量技术，但是都未能证实行星级伴星的存在[27]。赫尔希在四个月之前发表的论文，同样使用斯沃斯莫尔天文台的资料，发现观测巴纳德星时发现到的各种变化与望远镜的镜头进行调整和修改的时间有关[28]，认为其“发现”的行星是望远镜维謢和升级时所造成的假象。

范德坎普从未承认行星不存在，在1982年末再度发表巴纳德星附近有两颗行星的论文[29]。他在斯沃斯莫尔天文台的后继者Wulff Heintz（也是一位双星专家）对其研究结果表示怀疑，后来还持续批评他在1976年之前的研究结果，两人的关系因此而疏远[30]。

目前天文学家还不能完全排除行星存在的可能性，他们在1980和90年代中对巴纳德星伴星的观测最后都没有成功，于是他们最后在1999年利用哈伯太空望远镜来进行干涉测量[31]仍未发现行星的踪迹。

这些争议对系外行星的研究也许有负面的影响，但至少提高了巴纳德星的知名度，使这颗恒星的声望在科幻的社群中不断的提升（在科幻中的恒星和行星系统（英语：Barnard's star in fiction）），并且被纳入代达罗斯计划的观测目标。

2018年发现一颗行星巴纳德星b，质量至少是地球的3.2倍，公转周期233天[32]。

代达罗斯计划

主条目：代达罗斯计划

巴纳德星除了行星的存在出现争议外，这颗恒星最著名的研究是代达罗斯计划。在1973至1978年之间，天文学家认为根据现存或近未来的技术，使用无人太空船对另一个恒星系统进行快速的探测是可能实现的[33]。巴纳德星被选择为代达罗斯计划其中一个目标，一部分是因为这颗恒星可能拥有行星[34]。

理论模型建议天文学家使用核分裂的核脉冲火箭（具体的说，就是使用电子来轰击氘和氦-3），加速4年的时间可以让火箭的速度达到光速的12%，只需要50年，在一个人的有生之年内，就可以抵达这颗恒星[34]，如此一来天文学家可以更详细的调查这颗恒星和任何可能存在的伴星，星际介质也将在天文尺度的标准上进行审查和读取[33]。

代达罗斯计划最初的模型让天文学家进行更进一步的理论性研究。罗伯特·弗雷塔斯（Robert Freitas）在1980年提出了一个更野心勃勃的计划：利用自我复制太空船进行搜寻和联系地外生命[35]。太空船在木星的轨道上组装和发射，使用原先的参数只要花费47年就可以抵达巴纳德星，完成代达罗斯计划原先的研究项目。太空船抵达一颗恒星后，将开始自动复制，建设一座工厂，开始试探性的制造探测器，并在未来的1,000年中不断克隆人类最初制造出来的原始探测器[35]。

研究

当初彼得·范德坎普最初的研究明显聚焦在搜寻行星，有大量的文件证明巴纳德星在其他的研究项目上也受到天文学家关注。

恒星的特性和天体测量

道森在2003年提出一些质量与光度关联性的论文来说明巴纳德星温度和光度，认为之前的天文学家很可能一直低估这颗恒星的半径，其实它应该是0.2±0.008倍太阳半径，达到传统估计值的上限[7]。

根据天文学家一次对M型矮星金属量的广泛测量，巴纳德星的金属量被测定在-0.5和-1.0之间的等级，大约是太阳金属量的10至32%[8]。金属量是恒星质量中比氦重的元素所占的比例，帮助我们分类星系中恒星的星族。巴纳德星似乎是一颗老年恒星，属于第二星族的红矮星，也是贫金属的银晕星。虽然是一颗红矮星，巴纳德星的金属量比银晕星还高，并且达到拥有丰富金属的盘面星下限，这些加上它拥有高度的自行运动，所以天文学家认为这颗恒星是属于银晕星和盘面星之间的"中间第二星族" [8][36]。

班尼迪克和同事在1999年用哈伯太空望远镜做了广泛的研究，精密测量出这颗恒星的绝对视差和绝对星等[31]，帮助他们确定星球的界限。Kurster等人在2003年提出一些重要的论文，首次侦测到巴纳德星的径向速度导致它的运动速度发生变化；这颗恒星的活动促使径向速度进一步产生变化[36]。

推敲行星存在的界限

天体测量和研究其他恒星的特征或许可以对太阳系外行星有更多了解和认识。借由校正恒星运动数值可以得知行星质量和轨道的上限值：天文学家利用这种方法可以知道何种行星轨道不可能存在。比起那些更大的恒星，天文学家更容易注意到巴纳德星这样的红矮星，因为它们的质量较低，摄动比较明显，所以天文学家容易观测[37]。Gatewood在1995年表示可能有10倍木星质量的行星（这是棕矮星质量的下限）环绕着巴纳德星运转[24]，他在一篇论文中协助天文学家降低行星存在的普遍性[38]。天文学家在1999年使用哈伯太空望远镜进一步的排除巴纳德星拥有0.8倍木星质量的行星，并以短于1,000天周期环绕主星的可能性[31]；此外，Kurtzer在2003年确定环绕着巴纳德星适居带的"M sin i"值[注 3]。行星质量不可能大于7.5倍地球质量或是大于3.1倍海王星质量（远低于彼得·范德坎普主张的最低行星质量）[36]。

这些研究都降低巴纳德星附近行星存在的可能性，虽然天文学家尚未完全排除这种可能性，但是目前很难侦测到类地行星的存在。NASA的太空干涉仪任务（Space Interferometry Mission）和ESA的达尔文任务（Darwin）都预定搜寻类似地球的太阳系外行星，也都将巴纳德星纳入搜寻目标星表内[23]。但是NASA太空干涉仪任务和ESA的达尔文任务后来分别在2010年[39]及2007年[40]遭到中止。

1998年耀斑观测

 
艺术家想像中的巴纳德星，它与多数邻近太阳的恒星一样是一颗红矮星。

观察到巴纳德星的恒星耀斑使天文学家对它的研究又多了一个有趣的题材。在奥斯汀德州大学工作的William Cochran注意到1998年7月17日巴纳德星的发射光谱（在一次无关于星球摆动的研究中），在充分的分析这次耀斑之前的四年观测纪录后，现在任职于高达德太空飞行中心的戴安娜·鲍尔森等人，指出耀斑的温度高达8,000K，超过这颗恒星正常温度的两倍，虽然天文学家对光谱进行简单的分析不可能精确的确定耀斑释放的总能量[41]。因为耀斑是随机发生的，所以戴安娜·鲍尔森附注道"恒星总会让业余观测者在观测时出其不意" [17]。

这个耀斑令天文学家大感意外，因为天文学家没有预期到这种年龄的恒星会有如此种强烈的活动。虽然目前对耀斑尚未完全了解，但是天文学家相信这种现象是来自强烈的磁场导致对流层内被压抑的等离子突然爆发：自转迅速的恒星能产生强大的磁场，恒星衰老时自转速度将会减慢。因此天文学家认为巴纳德星发生这样重大的现象是很罕见的[41]。根据天文学家对于恒星周期性或恒星活动变化时间标尺的研究，也认为它应该是一颗沉寂的恒星。天文学家在1998年对巴纳德星的亮度研究显示出这颗恒星有微弱的周期变化，天文学家注意到唯一一个星斑存在超过130天之久[9]。

这种恒星活动现象让巴纳德星成为天文学家研究与了解同类恒星的主要观测目标。天文学家希望能针对星系中为数众多的老年M型矮星进行紫外线和X射线发射的测光计研究。这样的研究存在天体生物学上的涵义：由于M型恒星的适居带紧邻著恒星，耀斑、恒星风和等离子抛射事件会对任何一颗行星造成强烈的影响[10]。

环境

赤道北方北纬4°地区的观测者可以在天顶附近的位置直接观测到巴纳德星，理论上在距离北纬4°± 90°的地方都能看得见巴纳德星，虽然接近南方或北方地平线时的大气消光会使这颗恒星的光度减弱，但几乎地球上的每个纬度仍都能看见它。

这颗恒星有许多性质与太阳相似，邻近巴纳德星的许多恒星都是最小和最常见的红矮星。目前最接近巴纳德星的红矮星是罗斯154，距离为5.41光年（1.66秒差距）。相对来说，太阳和比邻星是接下来的最接近巴纳德星的恒星系[23]。从如果站在巴纳德星上来观测星空，太阳在天球上相对的座标位置正好在麒麟座的东部，为RA=5h 57m 48.5s, Dec=−04° 41′ 36″。绝对星等为4.83等的太阳在距离1.834秒差距的巴纳德星上，将会是一颗令人印象深刻的一等星，类似北河三相对于地球上的观测者[注 4]。

相关条目

注释

  1. ^ 视差数值与后续的距离估计数值来自et al. (1999). SIMBAD纪录的视差数值为548.31角分，所以巴纳德星距离太阳略少于5.94光年[1]
  2. ^ tv = (90² + 106.8²)½ = 139.7,或tv = (90² + 110.8²)½ = 142.7[19]。自行运动大的恒星相对太阳的运动速度自然较大，但是自行也是恒星距离太阳的函数。
  3. ^ "M sin i"意思是行星的质量乘上轨道倾角的正弦值，能提供行星质量的最小值
  4. ^ 太阳在巴纳德星星空中的视星等:  

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相关文献

外部链接

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