恆星在「旋轉門」速率中顯露年齡

2020-12-12 鄧如山

孩子們最高興做的一件事就是慶祝自己的生日,但是,當他們長大時收到生日禮物的愉悅心情逐漸淡漠了,當每年的生日到來時,他們沒有了小時候的期待心情,生日不過是人生的小插曲。人們不想讓別人知道自己的年齡,隨著歲月的流逝,人們留意到自己的身體不像以前那麼利索,運動的遲緩在宇宙的範圍不是生命的唯一特性,歲月滄桑、人生苦短,人們的經歷並不孤獨,唱「同一首歌」的恆星變老時,它們的運動節律變得緩慢,恆星年齡變成「不可告人」的奧秘。現在,天文學家打破了恆星年齡的「禁忌」,他們不是直接檢測恆星的年齡,而是通過檢測恆星的旋轉速度來破解恆星年齡的難題。

哈佛·史密森尼天體物理學中心的索倫·梅伯姆解釋說,建構宇宙學意義的時鐘時他們首要的目標,以恆星的旋轉速度精確地測定恆星的年齡,他們在建構「恆星時鐘」的路徑上邁出了實質的步伐。梅伯姆參加了近日召開的全美天文學大會,代表天文團隊遞交了一份科學成果的資料,天文團隊第一次延伸了恆星的年齡幅度,恆星的年齡從10億年拓展到46億年,其中的太陽年齡剛好為46億年。恆星年齡是天文學家理解「恆星物理學」的基礎數據,恆星和它們的伴星年齡是一項重要的天文指標,恆星的物理特性隨時間流逝發生了根本性的變化。恆星年齡與天文學家在太陽系外搜索外星生命的活動存在特別的關聯。地球生命經歷了漫長的演變,人們現在看到的地球生命體十分複雜。一個準確的「恆星時鐘」幫助天文學家確定恆星的年齡,這些帶有伴行星的恆星可能和太陽同齡,可能比太陽的年齡更小、更大。

恆星的旋轉率與它們的年齡相關,恆星旋轉率隨時間的流逝逐漸下降,好像在桌子上旋轉的陀羅。恆星旋轉速度與它們的質量相關,天文學家發現,體積和質量大的恆星比體積和質量小的恆星旋轉得更慢。天文團隊發現,在恆星質量、旋轉率和它們的年齡之間存在密切的數學相關性,他們由此建立了相應的數學方程,通過測定前兩個數據可以計算後一個數據,通過測定恆星的質量和旋轉率,天文學家計算了恆星的年齡。

天文團隊的成員、德國萊布尼茲天體物理學研究所的雪梨·巴恩斯解釋說,通過詳細的天文觀測,他們很好地定義了恆星的質量、旋轉率和年齡的三者關係,對單個恆星年齡的計算誤差控制在10%的範圍。2003年,巴恩斯第一次提出了測定恆星年齡的方法,天文團隊新的研究成果沿用了以前的方法,巴恩斯將這一獨特方法稱之為「旋轉年代學」,英語詞彙gyrochronology由三個詞根構成,希臘語詞根gyros相當於英語詞彙的rotation(旋轉),希臘語詞根chronos相當於英語詞彙的time/age(年齡),希臘語詞根logos相當於英語詞彙的study(學問)。

為了測定恆星的旋轉率,天文學家首先檢測恆星亮度的變化值,恆星表面的暗斑引起了恆星亮度的變化,恆星暗斑相當於太陽黑子,與對太陽黑子的觀測不同,一顆遙遠距離的恆星變成了一個難以分辨的光點,天文學家不能直接觀測「恆星光碟」的「黑子」,天文學家選擇了替代的方法,直接觀測恆星亮度的微小變化,當一個「黑子」呈現在視覺的方向時,恆星光度發生了微小的下降、或變得昏暗一點;反之,當一個「黑子」離開視覺的方向時,恆星光度發生了微小的上升、或變得明亮一點。很難測量「黑子」給恆星帶來的光度變化,一顆典型的恆星受到「黑子」的影響時,它們光度下降了不到1%,然而,「恆星黑子」需要幾天時間穿過恆星的表面,「火眼金睛」的天文學家捕獲了搜索「黑子」的機會。天文團隊使用了克卜勒太空望遠鏡,他們完成了測定恆星光度微弱變化的任務,進入「退役」年齡的克卜勒衛星似乎「煥發青春」,回到「青春起跑線」的克卜勒精確測量了持續性的恆星亮度的微小變化。

為了在「旋轉年齡學」的概念上精確地測定恆星的年齡,天文學家測量了已知年齡和質量恆星的旋轉周期,以此矯正標準的「恆星時鐘」。天文團隊的梅伯姆和同事們之前研究了一個數十億年齡的恆星團,天文團隊在新的研究中觀測了一個被稱為NGC 6819的星系團,它的年齡為25億年,他們的研究視角在很大程度上擴展了恆星的年齡範圍。梅伯姆解釋說,更老的恆星通常只有更少和更小的斑點、或「黑子「,對恆星旋轉周期的測定變得十分困難。

天文團隊觀測到的恆星質量相當於太陽的80%到140%,他們觀測的30顆恆星的旋轉周期為4到23天之間,相比較而言,太陽目前的旋轉周期為26天,團隊成員在星系NGC 6819中檢測了8顆恆星,它們的旋轉周期與我們的太陽非常相似,平均的旋轉周期為18.2天,對比關係的數值強烈地暗示,假如太陽的旋轉周期為18.2天,它的年齡大約為25億年,而太陽的實際年齡大於45億年,25億年的年齡相當於太陽處於20億年前的年齡段、或在20億年以前,太陽的旋轉周期大約為18.2天。

天文團隊評估了現有的幾個計算機模型,不同的模型以恆星質量和年齡為基礎計算出恆星的旋轉率,天文團隊需要確定哪一種計算機模型最適合實際觀測的結果。通過測量恆星的旋轉周期,他們從銀河系大量、冷的星場中精確地計算了它們的年齡,對於研究恆星和它們的伴星的天文學家而言,天文團隊應用的計算恆星年齡的方法帶來了重要的進展,新的方法幫助天文學家確定恆星系中行星的年齡。那些足夠老的行星有可能演變出複雜的生命形式,在地球上生存的人類具有了複雜的生命形態,人類智造進入了網際網路和高科技的時代,古老的地球確實有些年頭。《自然》雜誌發表了天文團隊的研究成果,恆星的年齡課題屬於更廣泛的克卜勒天體集群研究的一部分,梅伯姆擔任了集群研究項目的主要科學家。

(編譯:2015-1-7)

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