北極星

儘管肉眼看北極星是一顆光點，但它實際上是一個三星的系統，主星（勾陳一A） 是一顆質量是太陽5.4倍的黃色超巨星，光譜型為F7Ib，是第一顆根據軌道確定其質量的造父變星；兩顆較小的伴星：距離很近的勾陳一Ab（1.26倍太陽質量）屬於F6型主序星，距離主星18.5天文單位（Astronomical Unit，縮寫AU）繞轉；較遠的F3V主序星勾陳一B（1.39倍太陽質量）在2400AU的距離上環繞着主星，用現代的小望遠鏡也能分辨。

勾陳一AB雙星（當時不知道A由A/Ab雙星組成）早在1779年就被英國天文學家威廉•赫歇爾（William Herschel）用他自造的反射式望遠鏡（當時最好的望遠鏡之一）觀測到。1899年，威廉•華萊士•坎貝爾（William Wallace Campbell）發現勾陳一A的視向速度是變化的，説明它是一個雙星系統。由於已知它是造父變星，1927年美國天文學家約瑟夫•海恩斯•摩爾（Joseph Haines Moore）證明它視向速度的變化是一個四天的脈動週期和一個長的軌道週期組合的結果。隨後，摩爾在1929年計算出雙星系統的軌道週期為29.7年，偏心率為0.63，這一結果得到後人的多次驗證。理查德•安德森（Richard I. Anderson）2019年的一項研究表明勾陳一A/Ab的雙星軌道週期為29.32 ± 0.11年，偏心率為0.620 ± 0.008。 ^[10] 

2006年1月，從美國國家航天局（National Aeronautics and Space Administration，縮寫NASA）公佈的哈勃空間望遠鏡圖片中可以同時看見勾陳一三合星中的這三顆星。

勾陳一A是一顆超巨星，也是一顆光變較小的第一星族經典造父變星（因為它的高銀緯曾一度被認為是第二星族），因為造父變星是測量天文距離時重要的標準燭光，它作為最近的造父變星而被大量研究。對北極星光變的懷疑最早可追溯到1852年，在1911年得到丹麥天文學家埃希納·赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）的確認。

今天，北極星的視星等在1.86-2.13的範圍變動，其光變幅度（一個光變週期內的亮度變化）自從觀測起就不斷變化。1963年之前，它的光變幅度超過0.1星等，並隨時間逐漸減小。1966年後，這一數值急劇減少到低於0.05等，在1990年代末到2015年又開始增加，隨後減小至今。這一變化可能是因為北極星被一顆其他恆星繞轉，當該星每30年一次靠近北極星時，它擾動了造父變星的外層，即脈動的發生地。

北極星的光變週期大約4天，自觀測以來也不斷變化。它在1963-1965年間以每年4.5秒的速度穩定增加，這一現象一開始被當成是普通的穿越造父變星不穩定帶的紅化（向低温演化），但也可能是由於兩種傅立葉脈動模的干涉。科學家們對此看法不一，各執一詞。

北極星的有效温度（等效為一個相同光度和半徑的黑體的温度）約6015K，在光變時變化很小，但是變化量難以預測，從低於50K到高於170K，可能跟勾陳一Ab的繞轉有關。

據2004年《科學》雜誌報道，勾陳一現在的光度已經是托勒密觀察時的2.5倍（從當時約3星等變為現在的2星等）。 ^[11]  天文學家愛德華•裘那（Edward Guinan）認為這個變化速率的紀錄是出人意料的，他説：“如果這些是真的，這個速率的變動是百倍於理論所預測的恆星演化。”

許多近期的論文基於依巴谷（Hipparcos）天測衞星的觀測計算出北極星距離地球大約434光年(133秒差距)。之前的估計值則往往更小，基於高分辨率光譜分析的結果接近110光年(323光年或99秒差距)。北極星是最靠近地球的造父變星，他的物理參數對宇宙距離階梯是關鍵基礎，它也是唯一能以動態測量的質量。

依巴谷衞星使用恆星視差法測量天體的距離，在1989年至1993年的觀測精度達到0.97毫角秒(970微角秒)，能夠準確測量1,000秒差距以內天體的距離。其數據之後經過更先進的誤差去除和統計技術的檢驗。儘管依巴谷衞星有着天體測量上的優勢，但仍有些研究質疑其所測得的北極星距離的準確性，因為北極星（指勾陳一A）是由雙星組成的造父變星。依巴谷衞星關於北極星距離的結果經過多次檢驗，但至今未達成廣泛一致。

下一代高精度的三角視差測量來自於空間天測衞星蓋亞（Gaia），發射於2013年，預計測量精度25微角秒。儘管一開始蓋亞計劃只觀測那些亮度低於5.7星等的恆星，後來的測試卻發現蓋亞能自主識別3星等的亮星。當蓋亞在2014年7月開始常規科學運行時，它被設置成觀測星等為3-20的恆星。下載的原始掃描數據需要經過一些特殊處理來分析230個亮於3星等的恆星。蓋亞2階段發佈數據並未包含北極星的視差，但經過該數據推斷，勾陳一B的距離為136.6 ± 0.5 秒差距（445.5光年），比之前大多數測量要遠且精確數倍。蓋亞2022年7月13日發佈的第3階段數據的最新結果是137.2 ± 0.3 秒差距（447.6光年）。

北極星是天空北部的一顆亮星，離北天極很近，（2018年）距離地球自轉軸僅僅0.66°（預計到2100年該距離將縮短為0.45°），從地球北半球上看，它的位置幾乎不變，可以靠它來辨別方向。由於地球的自轉，而北極星正好處在天球轉動的軸上，所以相對其他恆星靜止不動。但是北極星並不是完全處在北天極正中央位置，實際上它是以很緩慢的速度轉圈，相對其他恆星而言看起來不會變化而已。

北極星不動，因為地球是圍繞着地軸進行自轉的，而北極星與地軸的北部延長線非常接近，所以夜晚看天空，北極星是幾乎不動的，而且在頭頂偏北方向，所以可以指示北方。

雖然在一年四季裏，由於地球繞太陽公轉，地軸傾斜的方向也會發生變化，但這一變化十分微小，可以忽略不計。於是一年四季裏，我們看到北極星位置好像都是在正北方不動的，其實只是我們肉眼觀察不到細微的變化，覺得地軸一直指向於北極星。 ^{[1]  [9]} 

北極星位於地球地軸的北端，在北斗七星中的天璇與天樞連線的五倍延長線上。可以通過先尋找北斗七星，再通過北斗七星來找到北極星。北斗七星屬大熊星座的一部分，從圖形上看，北斗七星位於大熊的背部和尾巴。這七顆星中有6顆是2等星，一顆是3等星。通過鬥口的兩顆星（天樞，天璇）連線，朝鬥口方向延長約5倍遠，就找到了北極星。 ^[2] 

地球繞着自轉軸旋轉，自轉軸的一端被定義為地理北極，另一端為南極。北極星所處的位置非常接近地球自轉軸的延伸線，所以無論地球怎麼自轉，北極星也不會升起落下，而是會在北天極附近打轉。北斗七星離北天極較遠一些，隨着地球的自轉，我們在地球上會看到北斗七星沿着逆時針方向繞着北極星旋轉，因為從北天方向看地球的自轉是逆時針的。雖然地球還會環繞太陽公轉，太陽還會帶着地球以每秒230公里的速度在太空中運動，但北斗七星和北極星在夜空中的相對位置不會發生變化，這是因為這些星星離地球十分遙遠。北斗七星、北極星與地球的距離是日地距離的數百萬倍至數千萬倍，即便地球在公轉，並且在繞着銀心運動，但每年的位置變化非常小，人眼無法察覺出來。隨着地球的公轉，如果在每晚的同一時間觀測北斗七星，可以看到北斗七星沿着逆時針方向繞着北極星旋轉，因為從北天方向看地球環繞太陽的公轉方向是逆時針的。總之，北斗七星看起來繞着北極星旋轉是由地球的自轉和公轉引起的，而不是它們之間的引力作用所致。

事實上，北斗七星與北極星相距非常遙遠，它們之間的引力作用弱到可以忽略不計。北極星距離地球大約323光年至434光年， ^[3-4]  天樞距離地球大約123光年，根據餘弦定理可以算出北極星和天樞之間的距離約為310光年。同樣地，可以算出天權與北極星的距離為352光年，瑤光與北極星的距離為329光年。不僅如此，北斗七星之間也沒有直接聯繫，它們之間的距離也是相距遙遠，例如，開陽、玉衡與地球的距離都大約為83光年，它們之間的實際距離為25光年。這些恆星之間並沒有什麼直接關聯，它們只是從地球上看起來離得很近。

勾陳一併不是一顆穩定、孤獨的恆星，勾陳一的數量比看到的要多。實際上勾陳一是一個三合星系統。它的一顆子星用小望遠鏡就很容易看到，另外一顆子星距離北極星非常近，以至於到20世紀末期才發現。

2006年1月9日，美國“哈勃”太空望遠鏡首次拍攝到北極星的一顆小伴星——“勾陳一Ab”。 ^[12]  這一發現，使得由三顆恆星組成的北極星系統完整地呈現於人們面前。

早在200多年前，天文學家威廉•赫歇爾（William Herschel）就已發現北極星有一顆亮度較大的伴星——“勾陳一B”，它與勾陳一A的平均直線距離為2400個天文單位（一個天文單位是地球到太陽的距離，約1.5億公里）。

半個多世紀前，天文學家從勾陳一的引力波動上推測，它還有另一顆距離非常近的伴星，與“勾陳一B”一起構成三恆星系統。但這顆伴星因為和北極星距離太近、光芒太暗而未被觀測到。

藝術家概念圖：北極星的三合星系統：超巨星Polaris A，矮星Ab以及遠處的矮星

美國哈佛-史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的南希 ·伊文斯（Nancy Remage Evans）等人，藉助“哈勃”望遠鏡上的先進測繪照相機，在2006年1月首次觀測到了這顆神秘的伴星——“勾陳一Ab”。他們發現，這顆伴星與勾陳一A的平均直線距離有18個天文單位。在地球上觀察勾陳一和“勾陳一Ab”的這點距離，好比要從30公里外分辨出一個硬幣，只有“哈勃”太空望遠鏡的先進測繪照相機才能做到。

天文學家還發現，勾陳一是一顆內部能量反應活躍的超巨星，其亮度是太陽的2000倍，而“勾陳一Ab”是正趨於沉寂的矮星。因此，它的光芒總被北極星所掩蓋，成為一個“隱身夥伴”，而這次其隱身狀態被“哈勃”識破了。通過觀測伴星的運動，天文學家希望知道恆星的質量及其它的軌道。對於恆星天文學家而言，測定恆星質量是最困難的任務之一。

天文學家希望精確知道勾陳一的質量，因為它是距離地球最近的造父變星。造父變星的亮度變化被用來測量星系的距離和宇宙膨脹的速率，因此搞清造父變星的物理機制和演變是至關重要的。測定它們的質量是重要的一步 ^[5]  。

不同於西方以黃道座標為中心的天文體系，中國古代發展了以赤道座標為中心的天文體系，北極星在這一體系中處於天球正北，無疑具有獨特的地位，在中國古代往往作為帝王的象徵。但小熊星座α星並非自古以來就是北極星。由於地球自轉軸存在週期性的緩慢擺動。因此，地球自轉軸北極指向的天空位置也在發生變化，北極星的“皇位”也存在輪流坐莊的可能。

地球自轉軸北極指向的天空以每年15角秒的速度運動，在公元前3000年，北極星不是小熊座α，而是天龍座α，一顆3.7等的恆星，中國古代稱它為右樞。到公元前1000年，小熊座β（中文名北極二）比較靠近北天極，既然全天星星圍繞它轉，古人便認為它是天上的天子，故又起名曰帝，又因為它在紫微垣的中心位置，又叫它紫微星。

隋唐時期，北極五（鹿豹座32）成了北極星，這顆星亮度極暗，也是人類文明歷史上到21世紀為止最暗的北極星。中國北宋初年的時候，地球北極指向的天空離北極星的小熊座α-即勾陳一的角距還有6度。可見，那時它還遠遠不能作北極星。但到了明清時期，勾陳一已經成了名副其實的北極星。

公元2100年前後，地球自轉軸北極指向的天空和小熊座α星之間的角距最小，僅有約28角分。以後，地球自轉軸北極指向的天空將逐漸遠離小熊座α。到公元4000年前後，仙王座γ將成為北極星。到公元14000年前後，天琴座α織女一將獲得北極星的美名。地球自轉軸這樣擺動一週的時間，大約是25800年。這説明一切事物都是在運動的，靜止只是暫時的，是相對的，運動變化才是永恆的。而且大約在公元28000年北天極又會重新指向小熊座α。

公元前20000年到公元20000年的北極星列表【這個是根據可視性（亮度）和可參考性（距離北極的位置）綜合決定的】：

北極星全星空亮度排名第47。

北極星是古代航海、野外活動辨認方向的一個很重要指標，另外也是小至觀星入門之辨認方向星座，大至天文攝影、觀測室赤道儀的準確定位等皆為十分重要的作用。由於北極星最靠近正北的方位，千百年來地球上的人們也靠它的星光來導航。 ^[6] 

在北半球的夜空中，位於北方天空的北斗七星十分顯眼，這七顆恆星分別是大熊座的天樞（貪狼）、天璇（巨門）、天璣（祿存）、天權（文曲）、玉衡（廉貞）、開陽（武曲）以及瑤光（破軍）。它們看起來比其他星星明亮，而且排列成勺子狀。如果沿着天璇和天樞的方向延伸大約5倍，可以找到另一顆亮星，這就是北極星。無論在什麼時候觀測北斗七星和北極星，都會觀測到這樣的現象。在我國古代，北斗七星被用來“定四時，分寒暑”——“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”通過北斗七星的斗柄方向變化，可以知道季節更替。

正因為北極星的位置相對穩定，不易變化，所以給人的感覺是忠誠，有着自己的立場。從人生的角度來説，北極星有着嚮導我們到達目標的意義，正如它可以讓我們分辨方向一樣。

正因為北極星的位置相對穩定，不易變化，所以給人的感覺是忠誠，有着自己的立場。從人生的角度來説，北極星有着嚮導我們到達目標的意義，正如它可以讓我們分辨方向一樣。

從愛情的角度來説，北極星象徵着堅定，執着和永遠的守護。如果將它擬人化，那麼它一定對離它近的那個星有承諾，不然也不會不離不棄地守護，比如月亮，雖然它們離的遠，但是北極星還是守護着。所以北極星很堅定，象徵着永遠不會變。

古代天文學家對北極星非常尊崇，認為它固定不動，眾星都繞着它轉，是帝王的象徵(注意他們所崇拜的星並不是北極星勾陳一，而是兩週時期的北極星北極二，又稱紫微星或者帝星)。古人將北斗和極星作為一個整體來認識，稱為“斗極”，斗極處於星空旋轉的中心，羣星繞其旋轉，好像天空的主宰，而古人以北斗斗杓周旋四指來釐定節候，北斗又成為天地秩序的制定者，春生夏長秋收冬藏似乎都是隨北斗指向而來臨，北斗成為天地萬物化生的中心。由於北極星最靠近正北的方位，千百年來地球上的人們靠它的星光來導航。有些航海的人們迷路了，就會找到北極星來定位，北極星在的地方永遠是北方，即使沒有羅盤，也可以辨別方向的 ^[7]  。

北極星被認為是帝星，稱為“天帝”。《説卦傳》曰:“帝出乎震，齊乎巽，相見乎離，致役乎坤，説言乎兑，戰乎乾，勞乎坎，成言乎艮。萬物出乎震，震東方也。齊乎巽，巽東南也。齊也者，言萬物之絜齊也。離也者，明也，萬物皆相見，南方之卦也。聖人南面而聽天下，嚮明而治，蓋取諸此也。坤也者，地也，萬物皆致養焉，故曰致役乎坤。兑，正秋也，萬物之所説也，故曰説言乎兑。戰乎乾，乾，西北之卦也，言陰陽相薄也。坎者，水也，正北方之卦也，勞卦也，萬物之所歸也，故曰勞乎坎。艮，東北之卦也，萬物之所成終而所成始也，故曰成言乎艮。”

《釋天》載：北極謂之北辰。

《論語》載：為政以德，譬如北辰，居其所，而眾星拱之。

《觀象》載：北極星在紫微宮中，一曰北辰，天之最尊星也。其紐星天之樞也。天運無窮，而極星不移。故曰：“居其所而眾星拱之。”