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星震學:研究天上的“地震” 了解恒星“內心”

時間:2019-12-31 14:41:23 來源:科技日報

太陽結構與震動示意圖。左側列出太陽分層結構,右側指出太陽表面的壓力模式和內核的重力模式震動。(圖片來源:歐洲南方天文臺)

開普勒衛星通過觀測行星在恒星前方穿過的現象尋找系外行星,并同時收獲了大量星震學數據。(天文詞典)

  說起星震學或者恒星震動,很多人可能會感覺到陌生。即使在天文學專業中,星震學也并不是一個很流行的方向。我們不妨從“地震”開始講起。目前,地理學家對地球內部結構知之甚少,畢竟以當前科技,人類還不能鉆入地球深處去直接研究地球內部。但是,地震這個讓人聞風喪膽的家伙,卻能夠讓科學家一窺地球內部的秘密。地震會產生地震波,這是一種在地球內部震蕩和傳播的波。這些地震波穿過不同物質時會有不同的表現。比如說,地震波在不同深度有著不同的傳播速度,而橫波無法在液體中傳播。由此,人們繪制出了地球內部的大體輪廓,即地殼—地?!睾说姆謱咏Y構。

  星星上有“地震”,太陽也不例外

  天文學家研究恒星時也遇到了地理學家同樣的難題。英國著名天文學家愛丁頓于1926年出版的《恒星內部結構》中就提出了著名的問題,大意為:“我們望遠鏡的視線能穿過數十億光年的空間,但無法穿透恒星熾熱的表面,我們如何才能知道恒星內部結構呢?”現在我們有了答案:天文學家可以通過觀測在恒星內部傳播的震動波,并結合基本物理知識,來推算恒星內部環境。這種和地震學如出一轍的研究方法就被稱作“星震學”。

  恒星有著幾種震動模式。恒星震動一般是指全球的長時間的震動,而不像地震一樣在一個很小范圍并很短時間內發生。每種震動模式都有自己的震動周期,也會讓恒星的亮度發生變化。天文學家通過長時間監測恒星亮度,即可知道恒星是否在震動,以什么模式在震動,從而開展進一步的研究。

  很多恒星都在發生著震動,比如說太陽,研究太陽震動的學科也叫做日震學。太陽表面的震動模式數以千計,而一些振幅最強的模式,其周期在五分鐘左右,這就是著名的“五分鐘震蕩”。天文學家利用太陽的震動了解了太陽的內部與演化的信息。

  太陽震動主要有兩種模式,壓力模式和重力模式。壓力模式主要發生在太陽比較淺的區域內,并在太陽內部不同深度傳播。天文學家通過研究在不同深度傳播的震動波,發現太陽在不同深度和不同緯度處的自轉是不同的。這被稱作較差自轉,對太陽磁場和活動具有決定性作用。天文學家還利用日震學確定了太陽的年齡,并發現其與最老的隕石年齡相當。而重力模式目前還處在預言之中,并無廣泛接受的觀測證據。原因是重力模式發生在太陽內部,很難在表面觀測到。

  地球上“看不清”,到太空去看“地震”

  為了更好地分辨恒星震動的模式和頻率,星震學要求人們長時間不間斷地監測某顆恒星的亮度。然而,這對于地面觀測基本是不可能的,因為地面上總會有陰天下雨、晝夜交替等現象干擾觀測。并且,隨著太陽運動,一般的恒星總有大半年的時間無法觀測,因為它們會在白天出現。

  而2009年發射的開普勒空間望遠鏡解決了這些問題。開普勒衛星的主要科學目標是尋找系外行星。它會同時不間斷地觀測10萬顆恒星的亮度,并尋找它們亮度忽然變暗的信號——這是行星通過恒星前方時遮擋了一部分光的結果??臻g觀測也避開了大氣層和太陽月球的干擾,從而大幅提高了數據質量。

  讓人驚喜的是,開普勒衛星的觀測數據正好也符合星震學的研究要求。目前開普勒衛星已經“退休”,它一共收集了長達4年幾乎不間斷的恒星亮度數據。這極大推動了星震學的研究工作。這些年星震學收獲頗豐,如開普勒衛星觀測了約一萬五千顆和太陽震動相似的恒星,從而讓科學家能精確地測量恒星的質量、半徑、年齡等參數,進而精確推斷其系外行星的參數。還記得在太陽上看不到的重力模式嗎?人們在比太陽稍微熱一點的恒星上發現了重力模式,由此研究了恒星內核上邊緣的物理性質和自轉速度。

  正如地震使地理學家了解地球內部構造一樣,恒星震動讓天文學家能推算遙遠恒星的內部性質。天文學家從而能精確地確定恒星的質量、半徑、自轉和演化階段等參數,也能進一步地發展恒星物理的知識。隨著如開普勒太空望遠鏡等一系列空間望遠鏡的升空,星震學迎來了其發展的黃金時代,更多關于恒星的秘密等著人們去揭開。(李剛)

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編輯: 劉坤媛
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