调一杯恒星鸡尾酒
Cornine Charbonnel、Suzanne Talon　文    Shea 译
	与地球大气层中极为相似的波也许强烈地影响着太阳和其他恒星的结构。 　　为了在计算机中模拟一颗恒星，你必须要有能表述在引力作用下气体运动的方程组。你还必须要包括核反应，因为它们会释放出能量并且制造出比氢更重的元素。另外，无论是通过光子、电子或者是物质的运动，你还必须知道能量是如何在恒星内部传输的。最后，你还得让恒星转起来，以便产生内部的物质流动和化学元素分布。然后你会看到你的恒星开始演化，并且呈现出真正恒星所具有的主要观测特征，例如整体温度和光度。但是，你的恒星模型还存在问题。尤其是你无法描述太阳这样一颗我们再熟悉不过的慢自转恒星的内部结构，同时你也无法解释类太阳恒星表面的化学组成。那么，到底哪儿出了问题呢？ 　　最严重的问题是，你的模型没有考虑能使得恒星内部自转刚化并且削弱由于流体力学不稳定性所产的内部湍流的物理机制。为了更好地了解这些效应，天体物理学家们从地球大气物理学家们那儿找到了灵感。20世纪60年代，大气物理学家们被地球赤道上空同温层风速的准两年周期振荡所吸引。林岑（R. S. Lindzen）和霍尔顿（J. R. Holten）证明这是由于波诱发的动量传递所导致的。同时，这一机制可能也和恒星内部的过程有关。 　　造成这一振荡的主要是内部重力波。这些波主要存在于分层的介质中，例如地球大气层，其中的重力波是由附近的湍流所触发的。这些波是我们大气层中其他一些现象的重要组成部分。例如，它们直接造成了会清空空气的湍流，这些湍流会直接危及飞机的安全。另外，由于自身的耗散，它们还会造成同温层突然升温。它们共有的重要特征是无法使用耗散过程来描述其造成的动量传递。 [图片说明]：太阳（左）和大质量恒星（右）内部结构的示意图。其中画有小漩涡的地方为对流区，在那里能量通过物质的大尺度运动来传递。而在辐射区，能量则通过光子来传递。红色代表快自转，蓝色代表慢自转。太阳的对流区会产生向内传播的重力波，而大质量恒星产生的重力波则会向外传播。但无论是哪种情况，在辐射区和对流区的边界都会形成一个剪切振荡层。 　　在恒星内部，重力波的有趣特性是它会激发其自身所形成区域的角动量并且降低其消失地的角动量。这一传递的非局域性使得其成为了非常有效地塑造气体内部转动的机制。重力波是在对流区内部形成的，然后传播并且消失在辐射区，其运动的距离取决于它们的波长和频率。根据其传播方式是逆着还是顺着恒星自转方向，这些波还可以分为逆行和顺行两种。同时，这些波也可以沿着径向运动，从对流区的边界进入辐射区。较差自转所导致的重力波频率的多普勒频移对于分别传递正角动量和负角动量的顺行和逆行波而言是不同的。其结果是类似地球大气中准两年周期振荡的局部振荡剪切运动。这一局部的剪切作用就好像一张滤网，会过滤掉波长较小的波，而让能够传递角动量进而消除辐射区和对流区转动差异的长波通行无阻。 　　由于其对流区占了半径的30%，太阳内部重力波的影响已经得到了广泛的研究。这些波导致的振荡出现在下方与辐射区毗邻的地方，厚度大约为半径2%，周期大约为10年。和所有低质量恒星一样，太阳对流区的转动在其幼年时被减慢了，因此其核心会比其表面转得快得多。这会有利于逆行的重力波，它们会使得年轻太阳的核心在几亿年的时间里减速。在这一框架下，太阳从内而外应该有着较为平滑的旋转曲线（旋转曲线描述了转动速度和半径之间的关系），这与日震学观测结果相符。因此，太阳具有较弱的流体力学不稳定性，由此导致的表面化学组成与光谱观测吻合。 　　但是我们在多大程度上可以信赖这个模型呢？多亏了地球大气物理，我们了解了重力波的特性，例如相速度、群速度以及衰减。不过，对流湍动形成重力波的效率目前还不确定。时至今日，恒星模型中对对流的描述还十分的粗糙。其结果就是，恒星内部由对流所激发的重力波的波谱目前仍然不清楚。为了进一步了解重力波产生的过程，我们期待着未来对恒星内部对流三维模拟的结果。尽管如此，我们也不是一无所获。我们所采用的一维模型复制出了在日震学中观测到的太阳压力波的功率谱。此外，恒星内部转动速度的长期演化并不强烈地依赖于具体的重力波功率谱，或者是精确的重力波能量注入率。 　　那么其他的恒星呢？随着恒星质量和年龄的变化，对流区的结构和位置也会跟着改变。由此，重力波会由于我们观测到的恒星的不同在不同程度上改变恒星的特征。对于质量大于太阳的恒星而言，它们具有对流的核心区，重力波会向表面传播，在恒星表面造成强烈的剪切运动并且使得化学成分在广阔的区域上均匀分布。然而，重力波对整个恒星自转的长期影响还有待进一步研究。另一个充满希望的领域是研究对流区厚达半径95%的年老恒星。其中的重力波也许会在恒星迈向死亡时抵抗其核心的坍缩。通过在恒星内部深层产生振荡剪切，重力波可能还会在恒星演化的最后阶段影响它的核燃烧。这或许有助于解决观测到的恒星晚期化学分布这一长期悬而未决的问题。 　　一点一点地，重力波在恒星物理学家们中间受到了重视。重力波已经被应用在了同步双星中，它们被怀疑在其间起到了输运粒子的作用。10年前，当重力波为太阳内部自转问题提供了漂亮解答时它仅仅是粉墨登场，而现在重力波已经成为了现代恒星模型中重要的组成部分。
出自：Science 发布日期：2007-11-09

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