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恒星的年龄有多大？
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David R. Soderblom 文 X.-M. Deng 编译 |
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确定恒星自诞生起已存在了多长时间是一个要比看上去难得多的问题，而天文学中又有许多基本的问题直接和恒星的年龄紧密相关。例如，天文学家很想探测太阳系外行星上的生命迹象，那么知道拥有行星的恒星的年龄就成了解释他们所观测到的天文现象的关键。对于最年轻的恒星，天文学家们则非常想知道其中行星系统形成和演化所需要的时间。而在更大一点的尺度上，恒星和星团的年龄被用来推算银河系自身的演化历史并且反演形成银河系的原始物质。银河系的银晕是在银河系自身基础上形成的，还是由被俘获的卫星星系的残骸而来的？银河系的厚盘是在银晕之后形成的，还是和它同时形成的？太阳所处薄盘中的恒星是连续形成的还是间断性形成的？许多基本的问题只有在可靠地确定了恒星的年龄之后才能被回答。 恒星的大小、温度和总能量输出这些物理状态主要是由恒星的质量、化学组成和年龄来决定的。这里之所以会涉及到年龄是因为当恒星逐渐变老的时候其核心的核反应会改变它的化学组成，导致其整体结构也跟着发生变化。天文学家们可以直接测量拥有伴星的恒星的质量，也可以通过对光谱中发射线的分析直接确定恒星表面的化学组成，但是却无法精确地测量恒星的年龄。当然有一颗恒星除外，那就是太阳。原因是我们可以在实验室里分析太阳系中的物质进而测定它的年龄，然而对于其他恒星至少从目前看来这根本行不通。这使得太阳的地位变得十分特殊，它的年龄也成了一杆标尺，因为它为细致了解其他恒星内部的物理过程提供了一个理想的参考模型和限制条件。  根据太阳校准模型之后，天文学家们就可以了解比太阳质量更大或者质量更小的恒星。而我们对于恒星演化的认识则很大程度上依赖于对星团的研究，因为这个由成百上千颗恒星组成的集团几乎是同时形成的，因此它们有着相同的化学组成和年龄。但事实当真如此吗？哈勃空间望远镜最激动人心的天体物理发现之一就是在单个的球状星团中发现了不同年龄的恒星，而球状星团是银河系中最年老的天体系统。根据我们已知的恒星物理学，还无法令人满意地解释这一观测到的现象。一个谜题就此浮出了水面。 绝大部分的恒星年龄都因为一些目前尚不完全清楚的系统效应而具有至少10%到20%的不确定性。不过恒星之间的相对年龄则要可信得多，这也就是为什么具有不同年龄恒星的球状星团如此引人注意的原因。银河系中一些最年老恒星的年龄是根据钍或者铀的半衰期而计算出来的。此时，年龄的计算是相当准确的，但是计算所得到的是该同位素形成的时间，而非恒星的年龄。另外，初始元素丰度也尚存有不确定的因素。 其他确定年龄的办法则是经验性的。根据某个物理量和年龄之间的关系可以用于年龄的估算，不过我们并不完全了解其内在的物理本质。例如，类太阳恒星会随着时间损失角动量。像太阳这样具有内部对流的恒星会由于对流和恒星自转的相互作用而产生磁场。而磁场则会引发类似于太阳风的离子风并且可以“吹”到很远的地方。这些离子风会带走恒星的角动量，进而使得恒星的自转减慢，这也正是我们在太阳上所观测到的。使用星团来校准不同颜色恒星的“自转-年龄”关系就产生出了恒星的“自转年代学”。恒星磁场的强弱会以可观测到的多种活动形式表现出来，而随着年龄的增长这些活动也会随之减弱，于是它可以用来校准年龄。但是这些年龄指标都存在一个基本的问题，那就是用于校准这些指标的年老球状星团十分稀有，而且其中年老恒星的年龄也是我们最想确定的。星震学也许能为我们提供一个解决问题的办法。欧洲空间局的“科罗”外星行星探测器和美国宇航局即将发射的“开普勒”探测器能极为精确地测定类太阳恒星的亮度变化，以此来确定恒星的震荡模式。对于一颗无法分辨的恒星，一般只能观测到它最低阶的震荡模式。即便如此，这些震荡也会直接穿过恒星的核心，而那里正是恒星把氢聚变成氦的地方，因此它也是恒星内部随着年龄增长变化最大的地方。这使得星震学成为了确定年老恒星年龄的有力工具。尽管由此得出的恒星年龄也依赖于模型，但是天文学家相信这些模型对于类太阳恒星来说是可靠的，而且其模型依赖的特性也和其他的技术有所不同。 总之，确定恒星年龄的方法目前还远未成熟，而且进展缓慢。现在宇宙学测量的精度甚至都高过对距离最近、最明亮恒星的年龄测定。因此精确测定一颗恒星的年龄看来仍是一项艰巨的挑战。 |
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出自：Science
发布日期：2009-01-02 |
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2001-2009 火流星工作组制作
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