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星震学:研究天上的“地震” 了解恒星的“内心”

来源:科技日报2019-12-31 08:26

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  说起星震学或者恒星震动,很多人可能会感觉到陌生。即使在天文学专业中,星震学也并不是一个很流行的方向。我们不妨从“地震”开始讲起。目前,地理学家对地球内部结构知之甚少,毕竟以当前科技,人类还不能钻入地球深处去直接研究地球内部。但是,地震这个让人闻风丧胆的家伙,却能够让科学家一窥地球内部的秘密。地震会产生地震波,这是一种在地球内部震荡和传播的波。这些地震波穿过不同物质时会有不同的表现。比如说,地震波在不同深度有着不同的传播速度,而横波无法在液体中传播。由此,人们绘制出了地球内部的大体轮廓,即地壳—地幔—地核的分层结构。

  星星上有“地震”,太阳也不例外

  天文学家研究恒星时也遇到了地理学家同样的难题。英国著名天文学家爱丁顿于1926年出版的《恒星内部结构》中就提出了著名的问题,大意为:“我们望远镜的视线能穿过数十亿光年的空间,但无法穿透恒星炽热的表面,我们如何才能知道恒星内部结构呢?”现在我们有了答案:天文学家可以通过观测在恒星内部传播的震动波,并结合基本物理知识,来推算恒星内部环境。这种和地震学如出一辙的研究方法就被称作“星震学”。

  恒星有着几种震动模式。恒星震动一般是指全球的长时间的震动,而不像地震一样在一个很小范围并很短时间内发生。每种震动模式都有自己的震动周期,也会让恒星的亮度发生变化。天文学家通过长时间监测恒星亮度,即可知道恒星是否在震动,以什么模式在震动,从而开展进一步的研究。

  很多恒星都在发生着震动,比如说太阳,研究太阳震动的学科也叫做日震学。太阳表面的震动模式数以千计,而一些振幅最强的模式,其周期在五分钟左右,这就是著名的“五分钟震荡”。天文学家利用太阳的震动了解了太阳的内部与演化的信息。

  太阳震动主要有两种模式,压力模式和重力模式。压力模式主要发生在太阳比较浅的区域内,并在太阳内部不同深度传播。天文学家通过研究在不同深度传播的震动波,发现太阳在不同深度和不同纬度处的自转是不同的。这被称作较差自转,对太阳磁场和活动具有决定性作用。天文学家还利用日震学确定了太阳的年龄,并发现其与最老的陨石年龄相当。而重力模式目前还处在预言之中,并无广泛接受的观测证据。原因是重力模式发生在太阳内部,很难在表面观测到。

  地球上“看不清”,到太空去看“地震”

  为了更好地分辨恒星震动的模式和频率,星震学要求人们长时间不间断地监测某颗恒星的亮度。然而,这对于地面观测基本是不可能的,因为地面上总会有阴天下雨、昼夜交替等现象干扰观测。并且,随着太阳运动,一般的恒星总有大半年的时间无法观测,因为它们会在白天出现。

  而2009年发射的开普勒空间望远镜解决了这些问题。开普勒卫星的主要科学目标是寻找系外行星。它会同时不间断地观测10万颗恒星的亮度,并寻找它们亮度忽然变暗的信号——这是行星通过恒星前方时遮挡了一部分光的结果。空间观测也避开了大气层和太阳月球的干扰,从而大幅提高了数据质量。

  让人惊喜的是,开普勒卫星的观测数据正好也符合星震学的研究要求。目前开普勒卫星已经“退休”,它一共收集了长达4年几乎不间断的恒星亮度数据。这极大推动了星震学的研究工作。这些年星震学收获颇丰,如开普勒卫星观测了约一万五千颗和太阳震动相似的恒星,从而让科学家能精确地测量恒星的质量、半径、年龄等参数,进而精确推断其系外行星的参数。还记得在太阳上看不到的重力模式吗?人们在比太阳稍微热一点的恒星上发现了重力模式,由此研究了恒星内核上边缘的物理性质和自转速度。

  正如地震使地理学家了解地球内部构造一样,恒星震动让天文学家能推算遥远恒星的内部性质。天文学家从而能精确地确定恒星的质量、半径、自转和演化阶段等参数,也能进一步地发展恒星物理的知识。随着如开普勒太空望远镜等一系列空间望远镜的升空,星震学迎来了其发展的黄金时代,更多关于恒星的秘密等着人们去揭开。(作者系澳大利亚悉尼大学物理学院博士生)

  李 刚

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