恒星之声——来自比邻星半人马α-A的乐章
译:Jack


    对穿过恒星的声波的研究有助于天文学家们了解恒星内部的组成。天体物理的这个特殊分支,现在我们称之为“星震学”。

    就拿我们的太阳来说吧,几年来,天文学家们屡次对这一类的波进行了观测,而这却极大的丰富了我们对太阳内部的认识。但是,要研究其它恒星的“波”,却并不是一件容易的事请,毕竟,它们距离我们太遥远了。

    然而,两位瑞士的天文学家Franskis Bouchy和Fabien Carrier 利用欧洲南方天文台(ESO)的一台1.2米的望远镜观测到了来自比邻星的震波。其实,这台望远镜原来是用来寻找太阳系外的行星的。

    半人马α-A是一颗肉眼可见、距离我们也很近的恒星——实际上,它距离我们只有4光年多一些。最近观测到,这颗恒星周期性的每7分钟脉动一次——和太阳十分相似。

    相信,在不久的将来,星震学将会成为研究类似太阳的恒星的重要的手段。我们也相信,La Silla的一台3.6米的望远镜,在安装上了HARPS光谱仪之后,可以探测到比CORALIE的极限测量值弱100倍的恒星的震波。

    图片解释:图一是一张绘制出来的图片,向我们展示了恒星内部声波传播时,恒星外部的表现。红色和蓝色则表示物质不同的运动方向。

    地质学家们通过监听在地球中传播的震波来了解地球内部的结构。这种技术对恒星也是适用的。在20世纪60年代,天文学家们用同样的方法“监听”过太阳——一颗典型的中年恒星。“太阳也会地震”,天文学家们利用这一点,成功的研究了太阳的内部——不仅仅是望远镜可以看见的太阳表面。

    在太阳里面,热,像是一个个的气泡一样,从利用核反应产生出巨大的能量的中心浮出来。在所谓的对流区,气体是极热的,而在这儿,气泡也以声速向上面渐渐的升起。

    太阳的内部,狂乱的对流制造了不少的噪音——和我们平时烧开水是一样。这样,声波在太阳内部的传播引起了太阳表面的异常,这就是我们所说的“星震”。我们可以很好的探测到太阳发出的声波;广阔而又频繁的震动,也为天文学家们提供了相当多的太阳内部的“资料”。

    从太阳到全体的恒星

    每个理由都可以说明太阳是类日恒星中十分平常的一颗。所以,别的类日恒星的脉动,也是和太阳差不多的。但是研究这些恒星的星震却要困难的多,历时也会相当的长:因为,对我们来说,这些震动的幅度小得可怜,要探测到,需要很高的精度。

    但是,在过去的几年中,星震学使这一切变得可能。Geneva天文台的两位瑞士的天文学家,清清楚楚的接收到了来自比邻星的震波。

    距离我们最近的亮星——半人马座α

    半人马α(Cen α-A或者是Centauri α,见注释[1])是南天的半人马座中最亮的星。实际上,这是一组双星,也就是由Cen α-A和Cen α-B组成的一组双星。

    另外一颗星,半人马座的比邻星,则或多或少和这组双星有着一些联系,比邻星是除了太阳之外,距离我们最近的恒星,它和我们的距离只有4.3光年左右。但是,比邻星太暗了,只有在一些比较好的望远镜中,我们才可以觅得它的踪影。

    半人马α-A是南天最亮的恒星之一,也是肉眼可以看见的恒星中距离我们最近的一颗。这颗恒星,和太阳想是孪生的兄弟一样,而且,它距离我们很近,所以,我们将这颗恒星列为寻找微小的星震的候选人之一。

观测技巧

    对半人马α-A的观测是在欧南台的La Silla天文台进行的。在2001年5月,两位瑞士籍的天文学家,采用了La Silla的1.2米的望远镜,并且对它连续观测了5个夜晚。

    这台望远镜上的光谱仪是CORALIE,它十分的有名气——这和它在寻找太阳系外的行星上的功劳是分不开的。

    伴随着的行星的引力常常使得恒星轻微的晃动——在寻找太阳系外的行星时,这个光谱仪将这些微小的晃动一一确认。

    所以,在对半人马α-A进行观测时,他们使用了同样的技术。声波使得恒星的外表面周期性的膨胀与收缩,然后,恒星的光谱就会发生变化。

             
                                     图一

    探测到的星震的速度是35cm/s,也就是一个半径为875,000千米的恒星表面,摄动的幅度是40m(见图一)——这个摄动的幅度显然是太小了,应用我们现在所有的天文仪器,要轻易的观测到这个震动,是不太可能的事情。他们研究了那5个夜晚所得到的数据,并且检查由震动引起的速率的波动。他们用十分精密的数学方法来进行分析,并且将他们发表的成果称为“有力的光谱”(见图二)。这张图片向我们展示的是不同周期是震动的强度,特别是图中的峰值标示出了一个个周期中“真实”的震动。

             
                                  图二

    观测到的数据显示的峰值是2~3MHz,这是类似太阳的恒星震动的明显而又典型的标志。他们得到的周期长度是7分钟,和太阳的震动周期5分钟很相似,也与从这两颗恒星的模型得出得理论值符合得很好。从更加明确的模型中,我们可以得到与震动相关的质量、半径、年龄、化学组成以及其他的一些半人马α-A的属性。

    当然,这也是COPALIE的能力的又一次的体现,如果没有它的出色的表现,相信这次的观测是不会那么成功的。

恒星内部的模型

    现今,缺少细致和精确的观测仍然限制着我们对恒星模型的理解,要详尽的描述一颗恒星内部的状况,就必须知道5个参数(质量、恒星年龄、最初的氢和重金属的含量以及描述对流的参数)。但是,一般情况下,只有两个参数是可以直接测量的(温度和光度),所以,我们现在所建立的恒星模型都是不确定的。

    所以,我们必须扩大观测的范围,而现在,星震学使得这一切变得可能,日震学帮我们打开了这扇门。我们对太阳的观测严格的规范了太阳内部的模型。但是由于恒星内部的结构和质量、年龄的关系很大,所以,不同年龄的恒星的内部结构也就有着显著的差异,其中可能隐藏这和太阳内部过程极为不同的物理过程。

    因为,测得的星震频率是和计算模型有着联系的,所以对恒星震动的观测,提供的极为重要的数据,大大规范了恒星内部的模型。对恒星圆面的观测可以让我们了解到一些恒星深处的震动模式,但是,解决恒星圆面的问题和我们得到星震方面有用的数据并没有十分重要的联系。

更多的恒星有待观测

    利用CORALIE来观测类日恒星的计划已经定了下来,在2002年年末,我们还可以用HARPS光谱仪来观测很暗的恒星。前面。已经说过,HARPS所能够观测到的最暗的恒星要比CORALIE的暗100倍。

图片解释:图二是利用CORALIE光谱仪测得的半人马α-A有关声学模式的光谱。其中,由几个峰值出现在1.7到3MHz之间,这和震动及其得符合。

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注释[1]
半人马α,以前,我们称为Rigil Centuari,但是由于这样的名字和猎户座的Rigil名字相同,所以,也就不用这个名字了。半人马α是天空中最亮的星之一(视星等0等),而且,是银河系中最壮观的星之一。

 

   译自 http://www.eso.com 

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